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Préface
La technique des pieux forés à l’abri d’un tube de travail ou d’un blindage s’est développée dès le début du siècle grâce à l’invention des machines excavatrices. Par contre, l’utilisation de la boue bentonitique pour assurer la stabilité d’un forage de gros diamètre est plus récente puisqu’elle ne remonte qu’à 1948.
L’essor actuel que connaît cette technique, dite des pieux moulés dans le sol, est lié au perfectionnement des engins et des outils de forage qui, par leur puissance et leurs dimensions, permettent maintenant de réaliser des puits atteignant couramment 1,00m à 1,50m de diamètre et exceptionnellement 2,50m à 3,00m, quels que soient les terrains à traverser.
Ces progrès considérables ont entraîné un abaissement des coûts des fondations profondes. Celles-ci sont parfois préférées à des fondations de type superficiel ou massives par le seul fait qu’elles paraissent plus sûres.
Cependant, les nombreuses constatations effectuées sur chantiers par les Laboratoires Régionaux des Ponts et Chaussées notamment, ont montré que les conditions d’exécution des pieux forés ne justifiaient pas toujours une telle confiance. Elles peuvent être en effet à l’origine de difficultés et de malfaçons d’autant plus graves qu’elles sont difficilement décelables et que les contrôles d’exécution ou a posteriori sont insuffisants.
A partir de cette expérience et de l’analyse méthodique des principaux problèmes d’exécution, des études ont été entreprises dans les Laboratoires des Ponts et Chaussées en vue de proposer d’une part des recommandations propres à améliorer la qualité des pieux, et d’autre part des méthodes et des moyens de contrôle spécifiques. Les résultats de ces travaux ont permis à un groupe d’ingénieurs, composé de spécialistes du SETRA et des Laboratoires des Ponts et Chaussées, de rédiger le présent document qui, outre des conseils à caractère général à l’usage des Services du Ministère des Transports et du Ministère de l’Environnement et du Cadre de Vie, propose à l’attention des différents services publics constructeurs, des bureaux d’études publics et privés et de la profession, des principes d’exécution et de contrôle, adaptés aux conditions de site et aux caractéristiques de l’ouvrage, pour chacune des opérations qui participent à la confection d’un pieu foré : forage, gainage ou chemisage, ferraillage et bétonnage.
Aux maîtres d’oeuvres, ce document rappelle les textes réglementaires en vigueur, donne des indications utiles à la rédaction des marchés et au jugement des offres et des propositions techniques des entreprises. Il définit l’organisation et la consistance des contrôles à effectuer aux différents stades de l’exécution et se propose d’apporter une aide efficace aux surveillants de travaux.
Aux entrepreneurs, cet ouvrage pourra fournir un support complémentaire à la formation des personnels tout en leur précisant les exigences de l’Administration quant à la qualité des travaux dont ils pourront être chargés.
Ce « Recueil de règles de l’art » ne saurait toutefois constituer un aboutissement des études entreprises sur le sujet, puisqu’en plusieurs domaines il ouvre au contraire la voie à d’indispensables recherches techniques et technologiques.
Ce dernier aspect, qui témoigne du souci des auteurs de présenter aussi fidèlement et aussi complètement que possible les connaissances et les moyens actuels qui président à l’exécution et au contrôle des pieux forés, ajoute encore à la qualité et à l’intérêt des pages qui suivent, auxquelles, n’en doutons pas, sera réservée une large audience tant à l’extérieur qu’à l’intérieur de notre Administration.
INDEX DES ABREVIATIONS
CCAG : Cahier des Clauses Administratives Générales
CCTG : Cahier des Clauses Techniques Générales
CCTP : Cahier des Clauses Techniques Particulières
CMP : Code des Marchés Publics
CPC ; Cahier des Prescriptions Communes
CPS : Cahier des Prescriptions Spéciales
CPST ou
CPS-Type : Cahier des Prescriptions Spéciales Type
DCE : Dossier de Consultation des Entreprises
DIG 70 : GUIDE à l’Intention des Maîtres d’Ouvrages et des Maîtres d’Œuvres
DJ 75 : Directives pour le Jugement des Dffres
DTU : Directives Techniques Unifiées
FT : Fiches Techniques
GGOA : Guide Général des Ouvrages d’art
GMO 70 : Guide du Maître d’Œuvre – Extrait du GGOA
RPAO : Règlement Particulier de l’Appel d’Offres
Les différents types de pieux exécutés en place
Les pieux ont toujours été utilisés comme moyen de fondation. Au fur et à mesure de l’évolution des techniques, de nombreux types de pieux sont apparus sur les chantiers. La conception même de ces fondations a considérablement évolué (qu’y a-t-il de commun entre le pieu en bois d’un diamètre de 20 cm et les puits de béton armé dont le diamètre peut atteindre 2 à 3 m dans des cas exceptionnels ? Voir chapitre 3 et fiches techniques pour les possibilités des différents matériels).
La tendance constatée sur les dix dernières années a été de délaisser peu à peu les pieux préfabriqués battus pour utiliser de plus en plus les pieux exécutés en place bien qu’ils posent en tous points autant, sinon plus, de problèmes que les premiers.
Le présent document ne traite que des pieux et puits exécutés en place par excavation du terrain (pieux forés) ; il est cependant nécessaire de savoir où ce type de pieu se situe dans la classe des pieux ou puits exécutés en place.
Les pieux exécutés en place peuvent être mis en œuvre sans refoulement du sol ou par refoulement du sol avec ou sans pointe. Ces paramètres sont importants, notamment pour la prise en compte des efforts de réaction du sol (frottement latéral, résistance de pointe et capacité de résistance aux efforts horizontaux). Les pieux forés sont exécutés sans refoulement du sol.
Sans entrer dans le détail des matériels (voir fiches techniques), un certain nombre de paramètres de l’exécution interviennent dans le classement :
- moyens de mise en œuvre, avec ou sans tube de travail et éventuellement procédé de mise en œuvre du tube ;
- exécution à sec, sous l’eau ou sous boue bentonitique.
1.1. TERMINOLOGIE
(voir aussi [3], § 8.3, p. 114 à 116)
a) Barrettes
Ce sont des éléments de parois moulées dans le sol (largeur 0,60 à 1 m, longueur 2 à 6 m), utilisés comme éléments porteurs. Ces éléments peuvent être sécants ou parallèles, de manière à s’adapter à la géométrie de l’ouvrage qu’ils supportent (fig- 1).
b) Boue
La boue de forage est un mélange colloïdal, et non une solution, à base de bentonite, souvent utilisée dans la technique des pieux forés (fiche technique n° 9 et § 3.4.5) en particulier pour maintenir la paroi de l’excavation.
c) Cage d’armatures
C’est l’ensemble des armatures longitudinales et transversales destiné au ferraillage d’un pieu, transporté et mis en place avant le bétonnage.
d) Curette ou soupape
Outil tubulaire, muni d’un clapet à sa base, qui permet de remonter les déblais, après utilisation du trépan.
e) Ponçage
Le fonçage est une opération qui consiste à mettre en œuvre un élément rigide (pieu, palplanche, tube, etc.), par pression, percussion ou langage. Il faut y associer la notion de refoulement du sol.
f) Forage
C’est l’opération qui consiste à exécuter un « trou » cylindrique, par extraction des déblais (par abus de langage, on appelle aussi forage, l’excavation elle-même).
g) Kelly ou barre kelly
C’est une tige métallique de section polygonale, télescopique ou non, qui transmet à l’outil de forage les efforts d’avancement et (ou) de rotation.
h) Langage
C’est un procédé de fonçage qui consiste à injecter de l’eau ou de la boue sous pression, à la base de l’élément à enfoncer. C’est aussi un procédé de forage utilisé dans les terrains peu consistants (cf. § 3.2.1.l.c).
i) Pieux ou puits
Le fascicule 68 du CPC, dans son commentaire de l’article 34, distingue :
- les pieux, dont le diamètre est inférieur ou égal à 80 cm,
- les puits, dont le diamètre est supérieur à 80 cm.
Cette distinction peut paraître artificielle ; c’est pourquoi, dans la suite du document, lorsqu’elle sera inutile, nous parlerons indifféremment de pieux ou de puits.
j) Recépage
Le recépage est l’élimination du béton de la partie supérieure du pieu, jusqu’à la cote de la base de la semelle de liaison (cf. § 6.4.3).
k) Surconsommation de béton
II y a surconsommation au bétonnage lorsque le volume de béton utilisé est supérieur au volume du trou de forage calculé avec le diamètre théorique (cf. § 6.4.2).
On peut considérer qu’une surconsommation de l’ordre de 10 à 20 °/o n’est pas excessive (par exemple, parce que le diamètre de l’outil de forage est souvent légèrement supérieur à celui figurant sur les plans du Dossier de consultation des entreprises). En revanche, toute surconsommation supérieure à 20 °/o est jugée anormale. On doit alors en rechercher les causes et éventuellement y remédier pour les pieux suivants.
1) Tarière
Mèche hélicoïdale, qui fore en rotation, à la manière d’une vis d’Archimède.
m) Tarière à godet (Bucket)
C’est un outil de forage travaillant en rotation.
Il est composé dans sa partie inférieure de deux lames à griffes qui ripent le sol. Les matériaux ainsi excavés sont stockés dans le corps de l’outil ; celui-ci s’ouvre, après la remontée, pour l’évacuation des déblais.
n) Trépan
Le trépan est un outil lourd, qui travaille en chute libre, et sert à traverser les bancs durs, en percussion, par désagrégation du terrain.
o) Trépan-benne (Hammergrab)
Le trépan-benne est une benne lourde travaillant en percussion, guidée par un tube de travail (procédé Benoto).
p) Trépan rotatif
II s’agit d’outils munis de molettes dentées ou de lames, travaillant en rotation, généralement associés au procédé de forage par circulation inverse, et comparables aux outils employés en forage pétrolier (cf. FT n° 8).
q) Tube plongeur
II s’agit d’un conduit composé d’éléments de tube de bétonnage, surmonté d’une trémie en forme d’entonnoir, ou branché directement sur une pompe.
r) Tube provisoire, chemise, gaine, tube perdu
Le pieu peut être exécuté à l’aide d’un tube de travail récupérable appelé encore tube provisoire.
Le tube n’est ici qu’un moyen d’exécution que l’entrepreneur compte bien réutiliser ; il est alors en acier d’une bonne épaisseur ( 1 à 2 cm et parfois plus).
En outre, il est parfois nécessaire d’interposer entre le béton et le sol une enveloppe protectrice, mise en place après forage, ou utilisée comme tube de travail (cf. chapitre 4). On l’appelle chemise si elle est en acier de faible épaisseur (quelques millimètres) ou en matériaux divers (films plastiques, non tissés, treillis synthétiques, etc.), et gaine lorsqu’il s’agit d’un tube rigide de 7 à 15 mm d’épaisseur.
s) Virole ou tube guide
Elément de tube métallique ou en béton, parfois muni d’un rebord, placé en tête du trou de forage, qui évite les éboulements de surface et permet le guidage de l’outil sur les premiers mètres. Dans le cas des pieux-barrettes, on utilise aussi des murettes guides, analogues à celles des parois moulées.
1.2. PIEUX EXECUTES EN PLACE PAR REFOULEMENT DU SOL
Ce sont des pieux de diamètre inférieur à 70 cm (couramment de l’ordre de 50 cm) bétonnés à l’intérieur d’un tube métallique obturé à sa base, généralement mis en place par battage, et le plus souvent récupéré après bétonnage.
Il existe de très nombreux procédés (Franki, Express, Paumelle, Vibro, Alpha, Trindel, etc.), qui se différencient, tant par le système d’obturation de la base du tube (bouchon de béton sec, sabot métallique ou en béton, pointe spéciale récupérable, plaque d’acier perdue), que par le mode de mise en œuvre et la consistance du béton (béton sec pilonné, béton plastique simple- ment déversé ou mieux, coulé au tube plongeur, etc.).
Beaucoup de procédés, qui ne permettent pas la mise en place de cages d’armatures sur une hauteur suffisante, ne sont pas utilisés en génie civil, en revanche cette technique est fréquemment employée dans le domaine du bâtiment, où, en fonction des efforts exercés, de simples armatures de liaison en tête des pieux peuvent suffire.
Sans entrer dans le détail de ces différents procédés décrits dans d’autres ouvrages ([1], [7], [9], [10], [12], [71]), la figure 2 expose le principe de trois de ces techniques susceptibles de convenir en travaux publics.
Il est à noter, d’une part, que les procédés 2 et 3 (fig. 2) permettent la constitution d’une base élargie (bulbe) par intensification du pilonnage du premier béton, mais d’autre part, qu’ils requièrent une protection de la cage d’armatures par interposition provisoire d’un second tubage à l’intérieur de celle-ci.
1.3. PIEUX EXECUTES EN PLACE PAR EXCAVATION DU SOL OU PIEUX FORES
1.3.1. Principe
Ces pieux sont réalisés par extraction du sol à l’aide d’un procédé quelconque, puis par mise en place d’une cage d’armatures et bétonnage de l’excavation ainsi créée (fig. 3). Ils diffèrent donc des pieux précédemment décrits (cf. 1.2) essentiellement par le fait qu’à l’exécution le sol n’est pratiquement pas « refoulé ».
1.3.2. Les différents types de pieux et leur domaine d’emploi
On distingue habituellement deux grandes familles de procédés qui se caractérisent par l’utilisation ou non d’un tube de travail (cf. chapitre 3), encore appelé tube provisoire ou, conformément au CPC, tube récupéré. Toutefois, la diversité des problèmes rencontrés, liés à la différence de nature et de caractéristiques géotechniques des terrains traversés, conduit assez souvent à utiliser simultanément ces deux méthodes, et justifie la création d’une troisième famille, non moins importante que les deux autres (§ 1.3.2.3).
1.3.2.1. Forage à l’abri d’un tube de travail récupéré.
Dans cette famille, où tous les pieux exécutés sont de forme cylindrique circulaire, nous trouvons de nombreux procédés qui sont exposés en détail au chapitre 3 de ce document.
L’utilisation d’un tube de travail récupérable est justifiée par la présence de couches de sols peu stables (remblais récents, sols pulvérulents lâches, éboulis de pentes), de circulation d’eau souterraine importante, de sols mous et fluants (vase molle par exemple), de zones karstiques ou gypseuses, etc., rendant incertaine la stabilité de la paroi d’un forage non tube.
Notons toutefois que dans certains cas de sols fortement frottants ou collants (vase molle par exemple), la descente, et plus encore la remontée du tube de travail peut s’avérer très difficile si la puissance à l’arrachage des machines est insuffisante, ce qui a généralement pour effet de limiter son utilisation dans ces sols à des pieux de longueur moyenne (15 à 20 mètres au maximum).
Les tubes de travail sont également utilisés dans des terrains plus stables, voire même durs, lorsque les outils de forage employés, non guidés, ne permettent pas d’assurer une section homogène et une rectitude acceptable de forage (cas du matériel trépan-curette par exemple, cf. FT n° 1).
Ces tubes, ouverts à leur base, sont constitués d’éléments métalliques, de longueur variable, vissés, soudés, ou verrouillés les uns aux autres, au fur et à mesure de l’enfoncement dans le sol.
Ils doivent être d’une épaisseur suffisante (1 cm au minimum) pour résister sans se déformer aux efforts auxquels ils sont soumis durant leur mise en œuvre et le forage (déformations et déchirures des extrémités). Dans certains cas, la base du tube est munie d’une trousse coupante adaptée à la nature des terrains à traverser (cas du procédé Benoto, cf. FT n° 4).
Les tubes sont soit descendus au fur et à mesure de la progression de l’outil, légèrement en avance ou en retard sur celui-ci selon les terrains, soit directement descendus à la cote définitive de la base du pieu (ou légèrement plus haut si un encastrement du pieu est prévu dans un substratum dur).
a) Tubes descendus au fur et à mesure de l’excavation
Le tube est descendu en avance sur l’outil de forage lorsque les caractéristiques du sol le permettent (sols peu compacts) ; cette méthode est généralement employée pour la traversée des sols lâches susceptibles de se décomprimer et de s’ébouler facilement.
L’outil de forage est en avance sur le tube dans le cas de terrains compacts, le plus souvent cohérents, de terrains durs ou comportant des blocs, et nécessitant fréquemment l’utilisation d’un trépan. Les tubes peuvent alors être descendus par havage, parfois aidé par un léger battage effectué par exemple avec l’outil de forage (procédé trépan-curette) ou par louvoiement du tube (procédé Benoto).
b) Tubes directement descendus à leur cote finale
Ce procédé permet de séparer les phases de mise en place du tube et d’extraction des déblais, ce qui évite des pertes de temps parfois considérables et l’immobilisation coûteuse du système d’enfoncement du tube.
Cette technique est utilisable dans les sols meubles, l’extraction des déblais étant réalisée en une seule fois. Toutefois, cette opération doit s’effectuer en plusieurs phases lorsque la traversée de couches compactes ou de blocs nécessite l’arrêt de l’enfoncement du tube.
Les tubes sont généralement descendus soit par vibrofonçage (cf. FT n° 6), cette méthode étant bien adaptée aux sols pulvérulents noyés, soit par battage à l’aide de moutons à vapeur ou diesel
(cf. FT n° 5), pour toute nature de sols meubles.
La gamme du matériel utilisé est très variée.
D’autres moyens sont parfois employés (vérinage, lançage), mais leur utilisation est limitée à des cas particuliers.
1.3.2.2. Forage non tube
Dans cette deuxième famille, il convient de distinguer les pieux forés « sous boue » de ceux réalisés sans soutènement particulier de la paroi du forage, c’est-à-dire généralement en l’absence d’eau (à sec), ou exceptionnellement sous eau claire. a) Pieux forés « sous boue », barrettes L’originalité de ce type de pieux réside dans l’exécution du forage durant laquelle la paroi de l’excavation est maintenue par une boue bentonitique qui est ensuite chassée naturellement par la remontée du béton mis en œuvre au tube plongeur.
L’utilisation de ce procédé implique deux conditions :
- la bonne tenue de la paroi par la boue de forage (formation d’un cake, pression hydrostatique suffisante…) ;
- qu’il n’y ait pas de pertes de boue, surtout de perte brutale.
La première condition est souvent vérifiée, sauf pour des remblais récents insuffisamment stabilisés, des sols très mous susceptibles de fluer (risques de rétrécissement de la section du pieu), des éboulis peu stables ou lorsque la proximité immédiate de constructions lourdes fondées superficiellement ou sur pieux flottants interdit toute decompaction des sols, notamment s’ils sont pulvérulents. Bien sûr, cette dernière restriction est encore plus sévère si la traversée des couches résistantes nécessite l’emploi du trépan.
La seconde condition concerne principalement les terrains calcaires ou gypseux, dans lesquels la présence de karsts ou de poches de dissolution peut entraîner, durant le forage, des pertes brutales de boue, et donc des éboulements importants dans les couches supérieures.
En dehors de ces cas particuliers, la perméabilité des terrains couramment rencontrés n’est pas un obstacle à l’utilisation du procédé, à l’exception de terrains très ouverts dont la perméabilité moyenne serait supérieure à 10 2 à 10″‘ m/s (consommation importante de boue). Le procédé convient bien aux terrains qui sont le siège de nappes, libres ou captives, une règle de bonne exécution consistant à prévoir une garde suffisante (1 m au minimum) entre le niveau de boue dans le forage et celui de la surface libre (ou piézométrique) de la nappe. Lorsque les circulations d’eau sont importantes, la tenue de la paroi du forage peut être incertaine, et il est alors prudent de prévoir un gainage du pieu (cf. § 4.2.1.2) qui évite en outre le délavage du béton frais.
Presque tous les types d’outils s’accommodent de la boue de forage (couronne à diamants ou tungstène, tarières, bennes preneuses, buckets…), mais généralement ces outils doivent être guidés en tête pour assurer le respect de la tolérance sur la direction prévue.
Le forage peut être exécuté :
— avec circulation de boue
- directe, lorsque celle-ci, refoulée par une pompe puissante, à travers le train de tiges, remonte dans l’espace annulaire situé entre les tiges et la paroi du trou (cf. § 3.2.1.1 c),
- inverse, lorsque les déblais sont évacués par aspiration de la boue à l’intérieur du train de tiges « porte-outil » (cas de trépans rotatifs) ;
— sans, ou avec très peu de circulation de boue ; la boue est simplement déversée en tête du forage, et évacuée par pompage vers la station de recyclage.
Quel que soit le procédé adopté, il est nécessaire de prévoir une station de fabrication et de régénération de la boue (cf. FT n° 9) qu’il convient de recycler régulièrement en cours de forage.
b) Pieux forés à sec Principalement dans les terrains cohérents non noyés, le forage peut être réalisé à sec à l’aide d’un matériel assez simple (tarières, pelles à benne preneuse). Il existe toute une gamme de diamètres et de dimensions pour ces pieux à section circulaire, carrée, rectangulaire ou en croix, mais il est rare que leur profondeur dépasse une douzaine de mètres environ.
1.3.2.3. Méthode mixte
On y a recours lorsque les couches supérieures de sol que doit traverser le forage sont instables et/ou nécessitent l’utilisation d’un tube de travail, et en site aquatique, à partir d’une barge ou d’un remblai récemment mis en place. On peut alors poursuivre le forage, sans tube, sous boue bentonitique, si les couches sous-jacentes le permettent, et jusqu’à des profondeurs qui ne pourraient être atteintes par l’utilisation d’un tube de travail seul (frottement important sur le tube ; cf.1.3.2.1).
1.4. AVANTAGES ET INCONVENIENTS RESPECTIFS
Ce genre de comparaison est souvent délicat car un certain nombre de paramètres échappent ici totalement ou partiellement à l’analyse (prix, région, type de chantier, nature des ouvrages portés, etc.). Les avantages et inconvénients donnés ci-après ne sont donc cités qu’à titre indicatif.
1.4.1. Pieux exécutés en place par refoulement du sol
AVANTAGES
- Rapidité d’exécution.
- Bon contact sol-pointe du pieu.
- Coulage du béton à sec.
- Bonne mobilisation du frottement latéral par refoulement et mise en butée latérale des couches de terrain.
- Propreté du chantier.
- Estimation de la capacité portante par application des formules de battage.
INCONVÉNIENTS
- Risque de faux refus et d’encastrement insuffisant, difficulté pour passer les bancs durs.
- Inadaptation aux sites caverneux.
- Risque de destruction des pieux voisins dont le béton est encore jeune, par vibrations et ébranlements dus au battage.
- Limitation à un diamètre de 0,70 m au maximum.
- Déviations possibles au cours du battage.
- Matériel de battage assez lourd et encombrant.
- Bruit important (nuisance en site urbain).
1.4.2. Pieux forés
AVANTAGES
- Diamètre important (jusqu’à 2,50 m, voire plus) et possibilité d’exécuter des éléments de formes diverses résistant à la flexion.
- Possibilité de traverser des bancs durs.
- Contrôle qualitatif des terrains traversés.
- Adaptation facile de la longueur.
INCONVÉNIENTS
- Réalisation demandant un personnel spécialisé et un matériel bien adapté aux opérations de forage et de bétonnage.
- Contrôle de la rectitude et du diamètre du forage difficile, sauf pour les pieux exécutés à sec.
- Risque de remaniement du sol autour du pieu.
- Risque de mauvais contact de la pointe imputable à un mauvais curage du fond de forage.
- Malpropreté fréquente du chantier.
