Résumé

« Pratique et complet ce livre contient des éléments de réponse adaptés à tout projet. Les auteurs y proposent non seulement une lecture approfondie de l’EC8, mais aussi une description complète des différents systèmes de fondations utilisables en zone sismique.

Pour la première fois, les techniques d’amélioration et de renforcement des sols sont évoquées, leur mise en œuvre clairement exposée et les inconvénients et avantages de chacune d’elles analysés dans le cadre d’une utilisation en zone sismique.

On retrouvera chaque fois une explication claire et concrète du phénomène initiateur, fréquemment illustrée de schémas très pédagogiques.

L’ouvrage est par ailleurs complété d’annexes techniques et pratiques d’une grande utilité. »

Thierry Vassail, Bureau Veritas

Ce petit livre à l’usage des ingénieurs confrontés à la construction parasismique présente, sous forme d’applications, l’essentiel des connaissances actuelles ; de surcroît, il porte non seulement sur l’amélioration des sols mais aussi sur la construction des fondations.

On sait que l’étude des séismes et de leurs conséquences a permis de cerner les limites de la construction parasismique : s’ils démontrent la qualité des structures - dont les fondations - les séismes mettent aussi en évidence la qualité des sols. Or, cette dernière décroît à mesure que, là où l’on veut bâtir, les «bons» sols sont déjà occupés. Il reste donc à les améliorer.

Sommaire

1. Comportement dynamique du sol

2. Choix du système de fondation

3. Amélioration de sol dans la masse

4. Renforcement de sol par inclusions souples

5. Renforcement de sol par inclusions rigides

6. Autres procédés

7. Fondations superficielles

8. Fondations semi-profondes et profondes Bibliographie. Annexes

Biographie auteur

Président d’honneur de l’Association française de génie parasismique et consultant actif à l’échelon international, Victor Davidovici est considéré comme l’un des plus éminents spécialistes du domaine. Outre de nombreuses publications de recherche et plusieurs livres, il a coordonné dans la même collection Pratique du calcul parasismique.

Directeur scientifique de Keller Fondations spéciales, Serge Lambert est un géotechnicien spécialisé ayant notamment participé à la rédaction du livre de référence publié aux Presses de l’ENPC par l’Association française de génie parasismique.

Comme Thierry Vassail, ils appartiennent au groupe de travail qui, quatre ans durant, a élaboré le guide technique spécialisé portant sur l’amélioration des sols (AFPS/Presses de l’ENPC).

www.boutique-livres.afnor.org...

Victor Davidovici
Serge Lambert

Fondations et procédés d’amélioration du sol

Guide d’application de l’Eurocode 8 (parasismique)

ÉDITIONS EYROLLES

61, bd Saint-Germain

75240 Paris Cedex 05

www.editions-eyrolles.com

AFNOR ÉDITIONS

11, rue Francis-de-Pressensé

93571 La Plaine Saint-Denis Cedex

www.boutique-livres.afnor.org

Le programme des Eurocodes structuraux comprend les normes suivantes, chacune étant en général constituée d’un certain nombre de parties :

EN 1990 Eurocode 0 : Bases de calcul des structures

EN 1991 Eurocode 1 : Actions sur les structures

EN 1992 Eurocode 2 : Calcul des structures en béton

EN 1993 Eurocode 3 : Calcul des structures en acier

EN 1994 Eurocode 4 : Calcul des structures mixtes acier-béton

EN 1995 Eurocode 5 : Calcul des structures en bois

EN 1996 Eurocode 6 : Calcul des structures en maçonnerie

EN 1997 Eurocode 7 : Calcul géotechnique

EN 1998 Eurocode 8 : Calcul des structures pour leur résistance aux séismes

EN 1999 Eurocode 9 : Calcul des structures en aluminium

Les normes Eurocodes reconnaissent la responsabilité des autorités réglementaires dans chaque État membre et ont sauvegardé le droit de celles-ci de déterminer, au niveau national, des valeurs relatives aux questions réglementaires de sécurité, là où ces valeurs continuent à différer d’un État à un autre.

En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement le présent ouvrage, sur quelque support que ce soit, sans l’autorisation de l’Éditeur ou du Centre Français d’exploitation du droit de copie, 20, rue des Grands Augustins, 75006 Paris.

© Afnor et Groupe Eyrolles, 2013

ISBN Afnor : 978-2-12-465434-5

ISBN Eyrolles : 978-2-212-13831-3

Préface

Enfin ! Tel est le premier mot qui me vint à l’esprit en découvrant ce guide.

Oui, enfin un ouvrage dédié à la géotechnique et aux fondations en zone sismique.

Certes, ma connaissance de la littérature en ce domaine est loin d’être parfaite mais il faut bien reconnaître que cet aspect du génie parasismique est le plus souvent ignoré des ouvrages techniques sur ce sujet ou, tout au plus, traité de façon secondaire.

Dans le meilleur des cas, il est avant tout question d’applications ou de considérations destinées plutôt aux grands ouvrages de génie civil ; exit la géotechnique commune, celle dont est pourtant faite 90 % de l’activité des BET, celle qui impose des réponses précises à des questions complexes, dans un contexte où l’on est d’une part dépourvu de moyens techniques importants et, de l’autre, contraint d’interpréter la réglementation.

Voilà donc une lacune de comblée grâce à cet ouvrage pratique et complet dans lequel on trouvera des éléments de réponse concrets et adaptés à tout projet. Il s’inscrit dans une collection de guides d’application de l’EC8 dont le premier, Pratique du calcul sismique, a certainement dû retenir l’attention de bon nombre d’intervenants et de BET dans le domaine du génie parasismique.

Les auteurs – Victor Davidovici, expert en génie parasismique que l’on ne présente plus, associé ici à Serge Lambert, directeur technique France de la société Keller – proposent ici non seulement une lecture approfondie de l’EC8, mais aussi une description complète des différents systèmes de fondations utilisables en zone sismique.

Il faut souligner que, pour la première fois, les techniques d’amélioration et de renforcement des sols sont évoquées, leur mise en œuvre clairement exposée et les inconvénients et avantages de chacune d’elles analysés dans le cadre d’une utilisation en zone sismique.

Une large part est également accordée à l’explication des phénomènes physiques sous sollicitations sismiques et au comportement dynamique des sols en général. Rien ne sert, en effet, de détailler un code de dimensionnement si les théories d’analyse à l’origine des règles et formulations proposées ne sont ni connues ni comprises.

Je garderai toujours en mémoire les mots de l’un de mes professeurs, Pierre Antoine, incomparable promoteur de la géologie appliquée aux ouvrages : il ne cessait de nous répéter que l’essentiel en géotechnique est de « prendre du recul », de ne pas aller immédiatement et uniquement au détail, mais d’évaluer un problème en l’observant d’abord à grande échelle pour analyser son contexte. Ce principe a parfaitement été respecté dans ce guide. Pour chaque élément traité, on retrouvera une explication claire et concrète du phénomène initiateur, fréquemment illustrée de schémas explicatifs très pédagogiques, l’image étant bien souvent le meilleur vecteur de propagation d’une idée.

Cet ouvrage est par ailleurs complété d’un certain nombre d’annexes techniques et pratiques d’une grande utilité.

L’annexe A, relative aux essais de sols, reflète particulièrement bien la ligne directrice du livre : l’explication comme vecteur de diffusion et de compréhension. S’il fallait un exemple, la détermination du module G, nécessaire au dimensionnement des fondations, est assez significatif. Nous avons tous vu de nombreuses fois la courbe de variation de G en fonction du niveau de déformation du sol, sans réellement appréhender la difficulté à obtenir la valeur de G adaptée à un projet particulier en fonction du type d’essai utilisé pour sa détermination. La brève annexe consacrée à ce sujet suffit à lui donner un éclairage très pratique.

Ces quelques mots sauront, je l’espère, convaincre les professionnels, comme les étudiants, de considérer ce guide sur les sols et fondations en zone sismique comme un ouvrage incontournable dans une bibliothèque technique.

Thierry Vassail

Ingénieur géotechnicien

Spécialiste national Conception parasismique au Bureau Veritas

Préambule

Depuis le sol « moteur », l’action sismique est transmise à la structure par l’intermédiaire des fondations. L’analyse de la structure doit prendre en compte, si nécessaire, [EC8-1/2.2.4.1-(4) P] l’influence de la déformabilité du sol et des fondations en considérant l’interaction sol-structure (ISS). Cette interaction doit être observée tant par l’effet favorable que par celui défavorable [EC8-1/4.3.1-(9)P].

Influence de la prise en compte de l’ISS

Il est également nécessaire de souligner que les conséquences d’une classification inadaptée sont plus significatives avec l’Eurocode 8 (voir annexe B) qu’avec les anciennes règles dites PS 92 (norme NFP 06-013,1995), car les spectres sont plus contrastés en valeur d’accélération entre les différentes classes de sol.

CHAPITRE 1

Comportement dynamique du sol

En zone sismique, il appartient aux concepteurs de tenir compte des points suivants :

• les caractéristiques de sol dans la gamme de déformations représentative de la sollicitation sismique, à savoir 10–6 à 10–4, ce qui n’est pas la gamme des essais géotechniques in situ et de laboratoire couramment employés (voir figure 1.1) ;

• une déformation sismique du sol (effet cinématique) ;

• un risque de liquéfaction des sols ;

• l’amplification du mouvement sismique lié à un effet de site ;

• l’instabilité des pentes ;

• la proximité des failles actives ;

• les tassements excessifs des sols sous sollicitations cycliques.

1.1 Caractéristiques des sols

1.1.1 Le module de cisaillement G et l’amplitude de la déformation de cisaillement

Les modules de déformation dépendent de l’amplitude de la déformation. Les ordres de grandeur des déformations pour les ouvrages sont en moyenne compris entre 10–4 et 10–2 alors que les essais classiques (pénétromètre, œdomètre, triaxiaux classiques) donnent des modules représentatifs de déformation supérieure à 10–2.

La figure 1.1 ([102] Reiffsteck, 2002) ci-dessous résume la courbe donnant la dégradation du module en fonction du niveau de déformation, ainsi que les gammes de déformations mises en jeu dans les essais (laboratoire ou in situ) ou rencontrées dans les ouvrages géotechniques.

Figure 1.1 Zone d’utilisation des essais de sol pour la détermination des modules de déformation en fonction des ouvrages (Reiffsteck, 2002)

Pour le calcul d’ouvrages sous l’action du séisme, la connaissance du module de cisaillement G dans la gamme de déformations 10–4 et 10–6 est nécessaire de même que l’amortissement ξ.

La reconnaissance de sol à partir des essais in situ doit être complétée par une campagne plus détaillée permettant de mesurer les paramètres à faibles déformations du sol :

• essai cross-hole, méthode MASW (Multichannel Analysis Surface Wave), SASW (Spectral Analysis of Surface Waves) ;

• toute autre méthode permettant d’obtenir des vitesses de propagation d’ondes à l’échelle de l’ouvrage : essai à la colonne résonante, essai au triaxial dynamique, etc.

La terminologie « module dynamique » ou « module statique » est impropre pour les sols, car la différence de valeur de ces deux modules ne provient que du niveau de déformation et non pas de l’effet statique ou cyclique de la sollicitation exercée.

La figure 1.2 met en évidence un seuil de déformation au-dessous duquel les valeurs de G sont relativement constantes, et égales à Gmax. Pour des déformations supérieures à ce seuil, G diminue avec l’augmentation de la déformation, d’une manière non linéaire.

Les courbes de contrainte de cisaillement G en fonction de la déformation γ permettent de tracer la dégradation de G.

A défaut de mesure directe des paramètres dynamiques du sol, on pourra se référer au tableau 1.1 donnant le rapport de G/Gmax en fonction de l’accélération du séisme...

CHAPITRE 2

Choix du système de fondation

2.1 Retours d’expérience

2.1.1 Fondations superficielles

La rupture de fondations superficielles durant un séisme peut résulter :

• d’une perte de portance liée à l’apparition d’une force excentrée et inclinée provenant de la réponse inertielle de l’ouvrage et des forces cinématiques du sol. De tels exemples de ruptures, sans que ce soit lié à la dégradation des caractéristiques mécaniques du sol, ont été répertoriés après le séisme de Guerrero-Michoacan en 1985 et d’autres plus récents (par exemple, 1990 : séisme de Luzon ; 1999 : séisme de Koçaeli) ;

• d’une perte de portance liée à une dégradation des caractéristiques des sols par liquéfaction ;

• des tassements excessifs induits par densification ou dégradation cyclique des sols, susceptibles d’affecter la stabilité des fondations.

2.1.2 Pieux

Boulanger et al. (2003) ont représenté par des schémas les différentes ruptures de pieux observées lors de séismes (voir figure 2.1). Les origines des ruptures peuvent être les suivantes :

• une perte de la capacité portante liée à un surcroît de charge (verticale ou horizontale en tête de celui-ci, apparition d’un frottement négatif le long du fût) ;

• des tassements du sol autour du pieu liés à un problème de liquéfaction, soit par densification soit par dégradation du sol ;

• ne rupture liée aux déplacements latéraux des terres (lateral spreading).

Chacun de ces phénomènes peut apparaître seul ou conjointement.

Figure 2.1 Mécanisme de rupture de pieux dans un sol liquéfiable (Boulanger et al., 2003)

D’après l’EN 1998-5 § 4.1.4 (14), « il convient d’envisager avec prudence la seule utilisation de fondations sur pieux, en raison des forces importantes induites dans les pieux par la perte de résistance du sol dans la ou les couches liquéfiables, et en raison des incertitudes inévitables liées à la détermination de l’emplacement et de l’épaisseur de cette ou ces couches ».

La résistance latérale des couches de sol sensibles à la liquéfaction ou à une dégradation importante de la résistance doit être négligée [EN 1998-5 § 4.1.4 (13)].

Il convient que l’amélioration du sol pour éviter la liquéfaction se fasse soit par compactage du sol pour augmenter sa résistance à la pénétration au-delà des limites dangereuses, soit par l’utilisation d’un drainage pour diminuer l’accroissement de pression d’eau interstitielle produite par les secousses sismiques [EN 1998-5 § 5.4.2 (4)P].

2.1.3 Améliorations et renforcements de sols

Le choix final de l’amélioration et/ou du renforcement de sols dépendra de la fiabilité et de la performance que le concepteur accordera à la technique en zone sismique (voir tableau 2.1).

La fiabilité d’une technologie donnée, pour la limitation des effets des sollicitations sismiques, peut être estimée à partir de plusieurs facteurs (Mitchell et al. (1998) et PHRI...

CHAPITRE 3

Amélioration de sol dans la masse

3.1 Principes généraux

Les retours d’expérience ont montré que les renforcements de sol qui ont permis d’augmenter la compacité du sol ont été les plus efficaces vis-à-vis de la liquéfaction.

On entend par traitement dans la masse un procédé qui permet d’augmenter les caractéristiques mécaniques du sol en place sur l’ensemble de la zone traitée, de la manière la plus homogène possible.

Ce traitement aboutit à une augmentation de la densité (figure 3.1), de la raideur et des résistances du sol traité, amenant de la sorte notamment à une diminution du potentiel de liquéfaction.

Figure 3.1 Réaménagement des grains avec diminution des vides

3.2 Choix du procédé d’amélioration des sols

La difficulté de ces solutions ne se situe pas dans le dimensionnement, puisque les règles usuelles de calcul des fondations superficielles sont utilisées, mais par contre dans le choix de la technique la plus appropriée et les moyens à mettre en...

CHAPITRE 4

Renforcement de sol par inclusions souples

4.1 Généralités

Une inclusion souple est un élément vertical constitué de matériau granulaire sans cohésion tel que la colonne ballastée (voir figure 4.1) ou le plot ballasté (voir figure 4.2). La définition et la mise en œuvre d’une colonne ballastée sont régies par la norme NF EN 14731 « Amélioration des massifs de sol par vibration ».

La colonne ballastée se caractérise par des diamètres de l’ordre de 0,60 à 1,20 m (supérieurs au diamètre du vibreur de profondeur), inférieurs au diamètre des plots ballastés, de diamètre de 1,20 à 2,00 m. Elle peut atteindre des profondeurs de plusieurs dizaines de mètres, à la différence des 4-5 m maximum des plots ballastés. Les vibreurs utilisés pour la colonne ballastée sont des vibreurs de haute fréquence et de faible amplitude, réputés pour être moins agressifs que des engins de compactage de terrassement. La colonne ballastée peut être réalisée en zone urbanisée à la différence du plot ballasté.

Le traitement d’un sol par inclusions souples conjugue plusieurs actions :

• une augmentation de la résistance à la compression et au cisaillement du sol renforcé est obtenue non seulement par les caractéristiques intrinsèques élevées des colonnes ballastées ou plots ballastés, mais également par l’augmentation de la densité de certains sols en place entre les colonnes ou plots.

• l’état de contrainte est modifié par une augmentation importante de la composante horizontale lors du refoulement latéral du gravier ;

Figure 4.1 Principe de réalisation de la colonne ballastée...

CHAPITRE 5

Renforcement de sol par inclusions rigides

5.1 Généralités

Lorsque le matériau constitutif des inclusions possède une cohésion suffisamment élevée pour générer du cisaillement avec le sol, l’inclusion est considérée comme rigide (inclusion en béton, mortier, coulis de ciment, mélange sol/coulis). Cette technique consiste à associer un maillage d’inclusions rigides verticales descendues à un horizon porteur et un matelas intercalaire formant une couche de répartition des contraintes verticales et horizontales. L’ensemble a pour vocation essentielle d’assurer le transfert des charges verticales appliquées en surface jusqu’à l’horizon porteur, permettant de réduire ainsi les contraintes sur le sol compressible et de ce fait, les tassements de l’ouvrage.

Les types d’inclusions rigides utilisés en zone sismique sur les quelques chantiers répertoriés à l’étranger ont été essentiellement :

• des colonnes en jet grouting ou du deep soil mixing d’un diamètre supérieur à 800 mm disposées en réseau ou en caissonnage ou dans la masse ;

• des pieux métalliques ou en béton armé équipés de cage d’armature, mais toujours associés à un matelas intercalaire granulaire.

Le jet grouting est un procédé de traitement qui consiste à déstructurer le sol en place à l’aide d’un jet à haute énergie cinétique et à le mélanger à un coulis de ciment. Les colonnes ainsi constituées se composent d’un mélange du sol en place et de coulis, et peuvent atteindre un diamètre variable de 0,60 à 4 m selon le type de sol et le procédé utilisé (mono jet, double jet ou Super jet®).

Le deep soil mixing consiste également à mélanger le sol avec un liant hydraulique: chaux, ciment, ou mélange chaux-ciment pour en améliorer les caractéristiques mécaniques, mais de manière mécanique.

Ce mélange est réalisé par voie sèche (introduction par voie pulvérulente sans eau, hydratation avec l’eau du terrain) ou par voie humide (coulis). Un grand nombre d’équipements ont été développés pour réaliser mécaniquement le mélange du sol avec un liant (tarières, trancheuses jet grouting ou deep soil mixing, fraises, pales…).

Pour ces deux procédés, le taux de substitution est très élevé, de l’ordre de 15 à 25 %, de manière à ce que malgré une fissuration et une diminution de leurs caractéristiques mécaniques intrinsèques, il subsiste toujours une résistance résiduelle des inclusions qui permette d’assurer la stabilité de l’ouvrage. Un radier est habituellement associé à ce type...