Fondations Des Éoliennes en Sites Terrestres [PDF]

Zitiervorschau

Réf. : C262 V1

Date de publication : 10 novembre 2020

Fondations des éoliennes en sites terrestres

Cet article est issu de : Construction et travaux publics | Mécanique des sols et géotechnique par Eric ANTOINET, Maxime MARTHE

Mots-clés géotechnique | Aérogénérateur | fondations | éolienne terrestre

Résumé L’effort horizontal produit par le flux d’air sur les pales des aérogénérateurs génère un moment de renversement à la base du mât. Le dimensionnement géotechnique des semelles des éoliennes terrestres est basé sur le respect de critères de basculement. La maîtrise du décollement de la semelle se traduit par des exigences de diamètre, de masse et de profondeur d’ancrage en fonction des cas de charge et de la présence ou non d’eau souterraine. Le mode de fondation dépend de la capacité portante des sols et de leur déformabilité. L’article présente les différents modes de fondation possibles : superficiel, avec ou sans amélioration des sols, ou profond.

Keywords geotechnical engineering | wind turbine | foundations | onshore wind turbine

Abstract The horizontal force produced by the air flow on the wind turbine blades generates an overturning moment at the mast base. The geotechnical foundation design of onshore wind turbines is based on the tilting criteria compliance. Controlling the sole peel-off results in requirements for the diameter, mass and anchoring depth depending on the load cases and buoyancy pressure. The type of foundation depends on the soil bearing capacity and its deformability. The article presents the different possible foundation modes: superficial slab, with or without ground improvement, or deep foundations.

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Fondations des éoliennes en sites terrestres par

Eric ANTOINET Directeur technique Infrastructures Antea Group, Olivet, France

et

Maxime MARTHE

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Responsable Activité Eolienne France Antea Group, Lille, France

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1. 1.1 1.2 1.3

Généralités sur l’éolien terrestre en France ............................................ Développement du parc éolien.......................................................................... Opportunités et contraintes d’installation d’un parc éolien ............................ Spécificités des fondations des éoliennes ........................................................

C 262 - 2 — 2 — 2 — 2

2. 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

Principes de fonctionnement des fondations des éoliennes .............. Le contexte normatif de conception.................................................................. Documentation technique fournie par les fabricants....................................... Géométrie des semelles ..................................................................................... Sollicitations de la nacelle à la base du mât..................................................... Exigences de conception.................................................................................... Maîtrise du décollement de la semelle ............................................................. Exigences géotechniques de conception.......................................................... Exemple de caractéristiques d’une éolienne ....................................................

— — — — — — — — —

3 3 4 4 5 5 6 6 6

3. 3.1 3.2 3.3

Les sollicitations transmises au sol ........................................................... Sollicitations appliquées au sol en l’absence de vent ..................................... Effet du basculement .......................................................................................... Accroissement des contraintes sous la semelle...............................................

— — — —

7 7 8 8

4. 4.1 4.2

Conditions de site et impact des eaux souterraines ............................. Géologie du territoire français ........................................................................... Les eaux souterraines.........................................................................................

— — —

10 10 10

5.

Les investigations géotechniques ..............................................................

—

12

6. 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

Dimensionnement des fondations superficielles ................................... Fondations superficielles au rocher ou sur sol induré..................................... Fondations sur sol semi compressible et amélioration des sols .................... Drainage............................................................................................................... Fondations pour des sites en pente .................................................................. Raideur dynamique en rotation .........................................................................

— — — — — —

13 13 14 16 17 18

7. 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6

Dimensionnement des fondations profondes ......................................... Sollicitations dans les pieux............................................................................... Fonctionnement des pieux................................................................................. Prise en compte des charges alternées............................................................. Effet de groupe et coefficient d’efficacité.......................................................... Efforts parasites et interactions ......................................................................... Raideurs horizontales et verticales....................................................................

— — — — — — —

20 20 21 21 22 23 23

8. 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6

La gestion des risques géotechniques ...................................................... L’organisation des missions d’ingénierie géotechnique ................................. Risque de remontée de la nappe ....................................................................... Risque lié aux cavités ......................................................................................... Risque retrait argile............................................................................................. Risque lié aux mouvements gravitaires............................................................ Risque sismique ..................................................................................................

— — — — — — —

23 23 23 24 25 26 26

9. 9.1 9.2

Remblaiement, accès et plateforme de montage................................... Le remblai de lestage.......................................................................................... Piste d’accès et plateforme de montage ...........................................................

— — —

26 26 26

10.

Réflexions sur le repowering .......................................................................

—

27

11. Conclusions....................................................................................................... — 28 Pour en savoir plus .................................................................................................. Doc. C 262

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FONDATIONS DES ÉOLIENNES EN SITES TERRESTRES _____________________________________________________________________________________

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D

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epuis une vingtaine d’année, environ 9 000 éoliennes terrestres, réparties au sein de 1 400 parcs, ont été construites sur le territoire français. Le rythme de construction des nouvelles éoliennes au cours des prochaines années devrait être compris entre 600 et 700 par an. Cet article traite des problématiques géotechniques associées à la conception et à la réalisation des fondations des éoliennes à axe horizontal (figure 4 dans la direction FHE), implantées en sites terrestres. Les fondations des éoliennes terrestres sont conçues pour résister au mouvement de renversement généré par l’effort horizontal que le vent développe sur les pales et qui est retransmis au niveau de l’axe du rotor. Il s’agit probablement du seul type d’ouvrage pour lequel la conception est totalement orientée vers la maximisation du moment de renversement. Les semelles des éoliennes sont soumises à des efforts répétés de basculements pendant toute leur durée de vie, dans des directions susceptibles de varier de 360°. Le fonctionnement d’une éolienne s’apparente donc à celui d’un culbuto géant : le dimensionnement géotechnique des fondations a pour objectif de maîtriser le basculement de la semelle, en vérifiant les critères de décollement admissibles en fonction du cas de charge et de s’assurer que les déplacements restent admissibles tout au long de la vie de l’éolienne. Trois paramètres sont fondamentaux pour la conception géotechnique des fondations : – le poids total de la semelle, avec prise en compte de la poussée d’Archimède le cas échéant en cas de présence de la nappe (« fondation avec eau ») ; – sa géométrie ; – la capacité portante du sol et sa déformabilité. Cet article synthétise le retour d’expérience des auteurs, qui ont étudié et participé à la construction d’environ 2 500 fondations d’éoliennes en site terrestre sur le territoire français depuis une quinzaine d’années.

1. Généralités sur l’éolien terrestre en France

culières généralement liées au relief ou à la possibilité d’installer des éoliennes de grande hauteur. En relation avec la force et la régularité des vents marins, les territoires côtiers sont ceux présentant les meilleures conditions de vent.

1.1 Développement du parc éolien

La France dispose du deuxième meilleur gisement de vent européen, juste derrière le Royaume Uni.

Fin 2019, la puissance éolienne terrestre installée en France dépassait 16 GW. Au cours des 10 prochaines années, l’accroissement annuel de la puissance éolienne terrestre devrait dépasser 2 GW, ce qui correspond à la mise en service annuellement d’environ 600 à 700 aérogénérateurs supplémentaires.

L’implantation d’un parc éolien est soumise à de nombreuses contraintes liées à la politique d’aménagement du territoire (schéma régional éolien), aux espaces grevés de servitudes aéronautiques, civiles ou militaires, aux radars de surveillance du territoire, mais également aux zones présentant un intérêt environnemental spécifique : Zone Naturelle d'Intérêt Écologique, Faunistique et Floristique (ZNIEFF), zones Natura 2000 et périmètres de protection des captages d’eau potable.De plus, les éoliennes doivent être implantées à au moins 500 m des habitations.

L’ensemble des données économiques et statistiques est fourni annuellement par la Fédération de l’Énergie Eolienne (FEE) dans le cadre d’un observatoire. On se réfèrera à leur site Internet pour trouver des informations économiques actualisées (https://fee.asso.fr/).

D’un point de vue règlementaire, le contrôle technique est obligatoire pour les éoliennes dont la hauteur du mât et de la nacelle est supérieure ou égale à 12 mètres (article R111-38 du code de la construction et de l’habitation).

À la date de rédaction de cet article, le parc éolien français produisait environ 5 % de l’électricité consommée en France.

Les éoliennes entrent dans la catégorie des installations classées au titre de la protection de l’environnement (ICPE) et sont soumises aux décrets et arrêtés afférents à ces ouvrages. Elles n’entrent pas le cadre des ouvrages dits à « risque spécial ».

Depuis le début des années 2000, le marché de l’éolien terrestre s’est fortement développé en Europe. En France, le milieu des années 2000 a marqué l’essor de la construction du parc éolien.

1.2 Opportunités et contraintes d’installation d’un parc éolien L’opportunité d’installation d’un parc éolien dépend en premier lieu des conditions de vent, qui sont caractérisées par la vitesse moyenne annuelle à 50 m de hauteur (cf. figure 1). La vitesse moyenne du vent augmente avec la hauteur. D’une manière générale, les régions présentant une vitesse moyenne des vents inférieure à 4,5 m/s (soit 16,2 km/h) sont actuellement délaissées, sauf conditions locales parti-

C 262 – 2

1.3 Spécificités des fondations des éoliennes Les éoliennes sollicitent leur fondation avec un mode de fonctionnement atypique qui ne se rencontre qu’assez peu fréquemment pour d’autres types d’ouvrages. La production d’électricité par transformation de l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique puis

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Supérieur à 27Km/h 23 à 27Km/h 20 à 23Km/h 16 à 20Km/h Inférieur à 16Km/h

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Vents moyens à 50 mètres du sol

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Figure 1 – Carte de la vitesse moyenne du vent pour la France métropolitaine

électrique par l’aérogénérateur nécessite de maximiser les efforts liés à l’action du vent sur les pales. Cet effort horizontal dont la résultante s’applique dans l’axe du rotor génère, du fait du bras de levier que représente le mât qui supporte l’aérogénérateur, un moment de renversement très important à la base du mât : la fondation est conçue pour résister et s’opposer à ce moment de renversement, à la manière d’un culbuto géant. D’autres ouvrages élancés sollicitent leurs fondations de manière similaire (tours de télécommunication, panneaux de signalisation, panneaux solaires orientables), mais aucune de ces structures n’est conçue pour maximiser la mobilisation des efforts horizontaux.

À retenir – Le territoire français dispose de conditions de vent favorables sur une grande partie pour l’installation de parcs éoliens terrestres, – Des contraintes règlementaires fortes existent, elles limitent les aires d’installation des parcs, – Une éolienne induit un mode de sollicitation des fondations relativement unique dans le domaine du génie-civil et de la géotechnique.

2. Principes de fonctionnement des fondations des éoliennes 2.1 Le contexte normatif de conception La norme NF EN 61 400 de juin 2006 précise les exigences de conception des éoliennes terrestres. Cette norme n’apporte néanmoins que peu d’éléments sur la conception des fondations et

leur dimensionnement. Ainsi, le paragraphe 11.8 intitulé « évaluation des conditions du sol » précise que « les propriétés du sol sur un site proposé doivent être évaluées par un ingénieur en géotechnique qualifié sur le plan professionnel, en se référant aux normes et règlements de construction locaux disponibles ». En se focalisant sur les aspects géotechniques, les normes françaises et recommandations qui vont guider la conception et la réalisation des fondations pour leur composante géotechnique sont principalement :

■ Normes géotechniques : – norme NF P 94 500 de novembre 2013 définissant les missions d’ingénierie géotechnique ; – eurocode 7 (NF EN 1997) et ses documents d’application nationale, principalement les normes de justification des ouvrages géotechniques : • Norme NF P 94 261 de juin 2013 – fondations superficielles, • Norme NF P 94 262 de juillet 2012 – fondations profondes ; – normes d’essais (essais pressiométriques, essais au pénétromètre, essais en laboratoire…) ; – eurocode 8 (NF EN 1998) – Calcul des structures pour leur résistance aux séismes

■ Recommandations et guides techniques Des recommandations professionnelles françaises existent : – groupe de travail « Fondations d’éoliennes » du Comité Français de Mécanique des Sols (CFMS). Recommandations sur la conception, le calcul, l’exécution et le contrôle des fondations d’éoliennes, 5 juillet 2011 ; – guide des Terrassements Routiers, Réalisation des remblais et des couches de forme, LCPC, SETRA, 1992, dite GTR92 ; – recommandations ASIRI pour la conception, le dimensionnement, l’exécution et le contrôle de l’amélioration des sols de fondation par inclusions rigides (2012) ; – colonnes ballastées : recommandations sur la conception, l’exécution et le contrôle des colonnes ballastées sous bâtiments et sous ouvrages sensibles au tassements, version 2 de 2011.

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FONDATIONS DES ÉOLIENNES EN SITES TERRESTRES _____________________________________________________________________________________

2.2 Documentation technique fournie par les fabricants

2.3 Géométrie des semelles

Les fabricants d’aérogénérateurs fournissent une documentation propre à chaque machine de leur gamme, en fonction de la classe de vent et de la hauteur des mâts. Ces documents, identifiés sous le terme usuel de « data sheet », comportent :

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– les cas de charges (« Design Load Case » ou « DLC ») à considérer. Le torseur des efforts à la base du mât ou à la base de la semelle (effort horizontal, effort vertical, moment de renversement et moment de torsion) pour les cas de charges correspondant aux vents extrêmes et aux vents de service. Ces torseurs sont fournis non pondérés et parfois avec des coefficients pondérateurs définis spécifiquement par les constructeurs ; – des exigences propres à chaque fabricant (tassement absolu, tassements différentiels, rotation maximale, raideur dynamique en rotation).

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Au démarrage du développement du parc éolien terrestre, trois formes étaient couramment rencontrées pour les fondations : semelles carrées, semelles octogonales ou semelles pseudocirculaires (polygone présentant un très grand nombre de facettes). Compte tenu du fait que la direction des vents est susceptible de varier de 360°, les semelles circulaires constituent la géométrie optimale. La forme circulaire s’est donc généralisée au fil du temps. Dans la suite de cet article, seul le cas des semelles circulaires sera évoqué. Dans un plan vertical, les semelles présentent une forme tronconique comme le montre la figure 2. La connexion du mât avec la semelle est assurée, soit par une virole comme sur la semelle représentée à gauche, soit par une cage d’écureuil comme sur la semelle à droite de la figure 3.

Figure 2 – Vue d’une semelle de fondation

Figure 3 – Dispositif de connexion du mât à la semelle par virole (à gauche) et par cage d’écureuil (à droite)

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2.4 Sollicitations de la nacelle à la base du mât

– HM : hauteur du mat ; – MRE : moment de renversement (= FHE * HM) ; – MTE : moment de torsion autour du mât.

Les sollicitations transférées au sol proviennent principalement du poids propre des éléments constitutifs de l’éolienne à savoir : l’aérogénérateur et ses trois pales, le mât, la semelle de fondation et le remblai de lest mis en place au-dessus de la semelle.

■ Le torseur des efforts à la base de la semelle, de hauteur HS est le suivant :

– FVS = FVE + QSemelle + QLest ; – FHS = FHE ; – MRS = (HM + HS) * FHE ; – MTS = MTE.

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La réaction des pales soumises au vent génère un effort horizontal, dont le point d’application est l’axe de l’aérogénérateur. Compte tenu du bras de levier du mât, la semelle est soumise à un moment de renversement, qui génère son basculement. Le dimensionnement géotechnique de la semelle de fondation est basé sur la limitation de ce basculement en fonction de la nature des sollicitations (États Limites de Service – ELS – ou États Limites Ultimes – ELU) et sur la vérification de l’admissibilité par le sol des contraintes verticales développées sous la semelle.

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avec QSemelle : poids propre de la semelle, QLest : poids propre du remblai de lest au-dessus de la semelle. La figure 4 schématise les sollicitations appliquées à l’éolienne et à la base de la semelle.

■ Le torseur des efforts qui s’applique à la base du mât est le suivant :

2.5 Exigences de conception

– FVE : force verticale (poids propre du mât, du générateur et de pales) ; – FHE : force horizontale appliquée dans l’axe de l’aérogénérateur ;

D’après la norme NF P 61 400-1 (3e édition), le nombre de cas de charges est compris entre 2 000 et 6 000 pour l’aspect génie éolien. Les modèles de dimensionnement sont fortement dynamiques. Les

Pales Aérogénérateur FHE

HM Mât

MTE MRE Remblai de lest

FVE

Semelle

ΦS

MTS MRS

F VS

HS

FHS

Figure 4 – Sollicitations appliquées par l’éolienne à sa semelle et au sol de fondation

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FONDATIONS DES ÉOLIENNES EN SITES TERRESTRES _____________________________________________________________________________________

2.7 Exigences géotechniques de conception

Tableau 1 – Cas de charge Génie civil

Génie éolien

Nombre de cas de charge

10 à 15

2 000 à 6 000

Modèles

« statique »

« dynamique »

Dimensions

1 ou 2

3

aspects liés à la fatigue des matériaux sous l’effet des cycles répétés doivent également être pris en considération. Pour le génie-civil, le nombre de cas de charges est réduit à un nombre compris entre 10 et 15, avec principalement des sollicitations de type « statique ». Voir le tableau 1

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Si on se focalise maintenant sur l’aspect géotechnique du dimensionnement des fondations, 4 cas de charges sont à étudier : – États Limites de Service Quasi Permanents (ELS -QP) ; – États Limites de Service Caractéristiques (ELS-Carac) ; – États Limites Ultimes Fondamentaux (ELU-Fond) ; – États Limites Ultimes Accidentels (ELU Acc).

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La durée de vie conventionnelle d’une éolienne terrestre est au moins égale à 20 ans (cf. § 6.2 de la norme NF EN 61400-1).

Le dimensionnement géotechnique d’une semelle de fondation est basé sur la mobilisation de la capacité portante du sol porteur, sur la capacité à résister au basculement et sur la maîtrise de son décollement en fonction des cas de charges. Les conditions à vérifier sont généralement exprimées en termes de surface comprimée par rapport à la surface totale. Lorsque l’éolienne est en production d’électricité c’est-à-dire dans les cas correspondant au « vent de service », la fondation doit rester totalement comprimée, ce qui signifie qu’aucun décollement n’est admis (condition dite de « no lift-off »).

avec

e = 

MRS / FVS

et ΦS

diamètre de la semelle

Cette estimation du décollement ne fait pas intervenir la raideur du sol sous-jacent et l’interaction entre la semelle et le sol support. Il s’agit donc d’une construction purement géométrique des sollicitations qui, en pratique, majore le décollement, en particulier pour les sols compressibles. De nombreuses géométries de semelle de fondation sont susceptibles de respecter ces conditions géométriques, entre des semelles profondes de petit diamètre (le cas limite serait celui d’une fondation « monopieu » que l’on rencontre dans le domaine de l’éolien offshore mais jamais pour les sites terrestres) ou des semelles plus fines et de plus grand diamètre. La recherche d’un optimum technico-économique conduit à réaliser des fondations enterrées entre 2 et 3,5 m de profondeur, et de diamètre compris entre 12 et 25 m en fonction du moment de renversement et donc de la puissance du générateur, de la hauteur du mât et des conditions liées au sol.

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Outre la vérification des conditions de décollement, les exigences géotechniques de conception des fondations sont définies d’une part par les documents normatifs, et en particulier les normes NF P 94 261 et NF P 94 262, et d’autre part par les exigences spécifiques des constructeurs, qui peuvent être de différentes natures : – angle maximum de rotation du mât en service ; – tassement absolu et/ou différentiel à long terme ; – contrainte maximale appliquée au sol par la semelle ; – raideur statique en rotation ; – raideur dynamique en rotation pour des fondations superficielles, raideurs horizontales ou verticales pour les fondations profondes. Par ailleurs, les différents constructeurs d’éoliennes n’appliquent pas tous les mêmes pondérateurs pour former leurs ELU. Les recommandations du CFMS [1] permettent donc d’unifier les pondérateurs à appliquer pour constituer les cas de charge aux ELU.

2.6 Maîtrise du décollement de la semelle

Le non-décollement d’une semelle circulaire est basé sur le respect d’un excentrement maximum. L’excentrement, noté « e » est défini comme le rapport entre le moment de renversement (MRS) et la force verticale (FVS).

Le dimensionnement géotechnique de la fondation d’une éolienne a pour objectif de justifier que : – le sol est apte à reprendre les efforts verticaux et horizontaux, statiques ou transitoires dus à l’éolienne pendant sa durée de vie (20 ans) ; – les déplacements (tassements absolus et différentiels) restent compatibles avec le bon fonctionnement de l’éolienne pendant sa durée de vie ; – les phénomènes de résonnance entre la fondation et le sol support sont évités.

D’après les Eurocodes, le pondérateur sur l’effet de l’eau est normalement supérieur à 1. Dans le cas d’une semelle d’éolienne, soumise aux sous-pressions hydrauliques, les calculs sont menés en considérant que la nappe est subaffleurante au niveau du sol. Il n’apparaît donc pas nécessaire de majorer la pression de l’eau audelà de la sous-pression qui correspond à cette condition de nappe subaffleurante. Voir le tableau 2

2.8 Exemple de caractéristiques d’une éolienne L’article est illustré par des exemples de calcul. On retiendra pour la plupart de ces illustrations le cas particulier d’une éolienne de marque Nordex, type N117/3600, construite dans les Hauts-de-France et qui a fait l’objet d’une instrumentation dans le cadre du projet de recherche « FEDRE » (cf. § 10). – puissance unitaire : 3,6 MW ; – diamètre rotor : 117 m ; – hauteur du mât : 91 m ; – hauteur totale : 150 m.

Tableau 2 – Pondérateurs pour les différents cas de charge Facteurs partiels de pondération sur sollicitations États Limites

FVS

FHS

MRS

Eau

ELS QP

1,0

1,0

1,0

1,0

ELS Car

1,0

1,0

1,0

1,0

ELU Fond

1,0 ou 1,35

1,5

1,5

1,0

ELU Acc

0,9 ou 1,1

1,1

1,1

1,0

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Remblai de lest HR = 0,9 m

(360 m3) Semelle (391 m3)

HS = 2,9 m

ΦS = 19,3 m

Figure 5 – Schéma de la fondation de l’éolienne instrumentée dans le cadre du projet FEDRE

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La semelle est circulaire :

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– diamètre : 19,3 m ; – volume de béton : 391 m3 ; – poids d’acier : 47 T ; – volume de remblai : 360 m3 ; – profondeur d’ancrage par rapport au terrain naturel : 2 m ; – remblai de lest : 0,9 m au-dessus du terrain naturel (HR). L’éolienne est de type sans sous-pression hydrostatique (« sans eau ») – voir § 4.2. Le remblai de lest est en partie en élévation par rapport au niveau du sol environnant comme le montre la figure 5. Les descentes de charge appliquées à la base de la semelle sont résumées dans le tableau 3.

À retenir – Les fondations circulaires des éoliennes ont un diamètre compris entre 12 et 25 m, et sont soumises à des moments de renversement, – Un dimensionnement basé sur des critères de maîtrise du décollement de la semelle en fonction des cas de charge est effectué, – Une conception en termes de génie éolien est basée sur une durée de vie de 20 ans pour l’aérogénérateur.

3. Les sollicitations transmises au sol 3.1 Sollicitations appliquées au sol en l’absence de vent Les calculs présentés dans ce paragraphe concernent une éolienne non soumise aux sollicitations du vent. Le poids propre de l’éolienne (FVE) est usuellement compris entre 200 à 450 T. Le diamètre des semelles varie entre 16 m pour les éoliennes de puissance de l’ordre de 2 MW à près de 25 m pour les plus puissantes, soit des surfaces qui sont comprises entre 200 et 400 m2, ce qui conduit à une surcharge verticale moyenne comprise entre 10 à 20 kPa. Le poids propre de la semelle, de 2,5 à 3,5 m de hauteur, associe du béton fortement armé (densité 2,5) et un remblai de lest sus-jacent (densité comprise entre 1,8 et 2,0). La densité moyenne de la semelle avec son lest est comprise entre 2,1 à 2,2, soit une contrainte appliquée au sol comprise entre 50 à 70 kPa. Avec le poids propre de l’éolienne, la contrainte verticale appliquée au sol est donc comprise entre 60 et 90 kPa, alors que la contrainte totale verticale initiale des sols en place varie entre 40 à 60 kPa. Ceci montre que, hors effet de basculement dû au vent, les semelles des éoliennes chargent faiblement le sol.

Tableau 3 – Descentes de charge pour le dimensionnement géotechnique Torseur des sollicitations États Limites

Coeff

FVS (kN)

Coeff

FHS (kN)

Coeff

MRS (kN.m)

Coeff

MTS (kN.m)

ELS QP

1

20 470

1

510

1

47 890

1

0

ELS Car

1

20 070

1

770

1

72 300

1

2 155

1 ou 1,35

20 470 27 635

1,8

925

1,8

86 870

1,8

0

1 ou 1,35

20 070 27 090

1,5

1 150

1,5

107 980

1,5

3 230

ELU Fond

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3.2 Effet du basculement La surface comprimée à respecter pour les différents cas de charges est précisée dans le tableau 4 et visualisée à la figure 6. Aux ELU, le taux de décollement admissible dépend de la nature du sol sous-jacent et il est plus important pour une éolienne fondée sur du rocher plus que sur le sol. La figure 7 relie l’accroissement de la contrainte maximale en fonction du décollement (ou de la surface comprimée résiduelle). En vert, le non-décollement aux ELS QP conduit à une contrainte verticale maximale multipliée par 2 (soit entre 120 et 180 kPa). En jaune, une surface comprimée de 75 % (ELS Car) conduit à une contrainte verticale maximale multipliée par 3 (soit entre 180 et 270 kPa). En rouge, une surface comprimée de 50 % (ELU) conduit à une contrainte verticale multipliée par 5 (soit entre 300 et 450 kPa).

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Exemple pour l’éolienne présentée au § 2.8 : – poids de la semelle équipée et lestée : 20 470 kN ; – surface de la semelle : 292 m2 ; – σm = 70 kPa (contrainte verticale des terrains en place à 2 m de profondeur comprise entre 36 et 40 kPa). L’excentrement maximum aux ELS QP de la semelle est :

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Les contraintes verticales maximales appliquées par la semelle au sol sont :

3.3 Accroissement des contraintes sous la semelle Des modèles numériques 3D peuvent être réalisés pour évaluer les déplacements et l’état de contrainte à la sous-face d’une fondation circulaire. Des éléments d’interface ont été mis en œuvre autour de semelle afin de permettre, le cas échéant, le décollement de la semelle. La figure 8 présente l’état de contrainte verticale dans une coupe suivant la direction de renversement pour une sollicitation de type ELS-QP. On peut observer que la modification des contraintes est très importante jusqu’à une profondeur d’un demi-rayon et est sensible jusqu’à une valeur de l’ordre de une fois le rayon (ΦS/2). Ce qui signifie que, même si la semelle à une grande dimension (> 20 m), le géotechnicien doit focaliser son attention sur la caractérisation des terrains situés entre la base de la semelle et une profondeur d’une dizaine de mètres sous celle-ci. La figure 9 représente pour ce même calcul la contrainte verticale à la sous-face de la semelle. Elle permet de visualiser l’effet du basculement. Contrairement à une semelle rectangulaire soumise à un moment de renversement dans une des deux directions parallèles aux côtés, la contrainte maximale appliquée au sol n’est pas obtenue en limite de semelle du fait de la réduction d’inertie en périphérie de semelle induit par la forme circulaire.

À retenir Tableau 4 – Pourcentage minimal de surface comprimée en fonction du cas de charge États Limites

ELS-QP ELS-Car ELU Fond ou Acc

% de surface comprimée après pondération Scomp/ Ssem Sol 100 > 75 > 50

Rocher 100 > 75 > 30

– En l’absence d’effort de vent, la semelle charge peu le sol d’assise. La contrainte verticale moyenne appliquée au sol est inférieure à 100 kPa – L’effet du basculement conduit à répartir les contraintes verticales à la périphérie de la semelle, avec un accroissement de la contrainte verticale dans un facteur 2 à 5 suivant le cas de charge – Le bulbe d’accroissement de contrainte est limité à une faible profondeur.

ELS-QP (Scomp = 100 %)

ELU-Fond (Scomp ≥ 50 %)

Figure 6 – Basculement admissible et surface comprimée

C 262 – 8

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– α2 = σmax / σmoy

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% de surface comprimée

Semelle circulaire

20,00

100%

18,00

90%

16,00

80%

14,00

70%

12,00

60%

10,00

50%

8,00

40%

6,00

30%

4,00

20%

2,00

10% 0%

0,00 0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

e/Φ

Figure 7 – Corrélation entre l’excentricité (e/Φ), le % de surface comprimée et la contrainte maximale

Z

Mx Y

X

Fondation Contrainte verticale Gradient Calculation

-2.2000e+002 to -2.0000e+002 -2.0000e+002 to -1.7500e+002 -1.7500e+002 to -1.5000e+002 -1.5000e+002 to -1.2500e+002 -1.2500e+002 to -1.0000e+002 -1.0000e+002 to -7.5000e+001 -7.5000e+001 to -5.0000e+001 -5.0000e+001 to -2.5000e+001 -2.5000e+001 to 0.0000e+000

0,5R γh*Z

1R Figure 8 – État de contrainte verticale sous une semelle de fondation pour une sollicitation de type ELS-QP

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Gradient Calculation

-1.7500e+002 to -1.6000e+002 -1.6000e+002 to -1.4000e+002 -1.4000e+002 to -1.2000e+002 -1.2000e+002 to -1.0000e+002 -1.0000e+002 to -8.0000e+001 -8.0000e+001 to -6.0000e+001 -6.0000e+001 to -4.0000e+001 -4.0000e+001 to -2.0000e+001

X

Interval = 2.0e+001

Graduation en kPa

Y

Z

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Figure 9 – État de contrainte verticale dans les terrains à la sous-face d’une fondation pour une sollicitation de type ELS-QP

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4. Conditions de site et impact des eaux souterraines

elles ne sont que rarement réalisées au sein d’un horizon pouvant être qualifié d’aquifère au sens hydrogéologique usuel du terme (c’est-à-dire au sein duquel une ressource en eau pérenne est présente).

4.1 Géologie du territoire français En relation avec la carte des vents moyens, les besoins énergétiques et les conditions d’aménagement du territoire (et en particulier la faible densité de population), les principales aires favorables à la construction de parcs éoliens en France sont : – le bassin parisien au sens géologique du terme (de la Normandie à l’ouest aux Vosges à l’est et de la région Centre Val de Loire au sud à la région Hauts-de-France au nord) ; – la Bretagne ; – la Marche (nord du Bassin aquitain) ; – la Vallée du Rhône et la Côte du Languedoc. La comparaison de la carte du vent (cf. figure 1) avec la carte géologique de la France établie par le BRGM (cf. figure 10) met en évidence que les secteurs de développement éolien sont principalement situés sur des terrains sédimentaires, formés aux ères secondaire et tertiaire, la Bretagne constituant une exception avec un socle à dominante granitique. Pour optimiser les conditions de vent, il est préférable d’installer les éoliennes en partie supérieure des reliefs (ligne de crêtes, plateaux…) et règlementairement dans des zones présentant une très faible densité d’habitat. Les fonds de vallée, où s’accumulent en général des matériaux alluvionnés par les cours d’eau et dont les caractéristiques géotechniques sont souvent médiocres, voire faibles, sont de facto peu concernés par l’implantation de parcs éoliens. En France métropolitaine, les sites disponibles pour l’implantation de parcs éoliens s’avèrent donc assez favorables pour la réalisation de fondations superficielles, avec un ancrage des semelles à une profondeur comprise entre 2 et 3,5 m de profondeur.

4.2 Les eaux souterraines Comme indiqué précédemment, les semelles de fondation sont ancrées assez peu profondément dans le sol. Compte tenu des conditions topographiques d’installation (plateau, point haut des reliefs),

C 262 – 10

Néanmoins, pour les sites présentant une faible pente générale (plateaux) et des contrastes de perméabilité potentiellement défavorables à l’infiltration des eaux pluviales (présence sous la base de la semelle d’une couche moins perméable que les terrains superficiels sus-jacents, milieu rocheux peu fracturé), il arrive fréquemment d’observer des accumulations d’eau dans le sol de manière transitoire en fonction des conditions météorologiques, créant ainsi des nappes perchées. L’excavation, puis le remblaiement autour de la semelle, favorise également l’effet piscine, c’est-à-dire d’accumulation d’eau dans la fouille, du fait du contraste de perméabilité entre l’encaissant et le remblai mis en place autour de la semelle. La tranchée sous la fondation, parfois réalisée pour permettre le passage des câbles électriques, constitue un drain (cf. figure 11) et peut favoriser l’arrivée des eaux superficielles ou souterraines sous la semelle. De plus, la rotation des pales, qui intercepte la pluie incidente, induit une accumulation des eaux pluviales au pied du mât par ruissellement. Dans une telle configuration, le dimensionnement de la semelle doit être mené en considérant une nappe affleurante au niveau du terrain naturel. En effet, il est très difficile, voire impossible, d’évaluer le niveau des plus hautes eaux d’une nappe perchée. Les calculs de basculement sont réalisés en considérant le poids déjaugé de la semelle et de son remblai de lest. L’exemple suivant illustre l’effet de la prise en compte de l’eau souterraine, pour le type d’éolienne décrit au § 2.8. Eolienne Nordex, (cf. § 2.8) : – fondation « sans eau » : diamètre 19,3 m – volume de béton 391 m3 ; – fondation « avec eau » : diamètre 23,4 m – volume de béton 575 m3 ; – différence de volume de béton : 184 m3 ; – la différence est de l’ordre de 50 m3 par MW. On retiendra que le volume supplémentaire de béton pour un massif avec eau par rapport au massif sans eau est d’environ 50 m3 par MW. Pour un béton dosé à 350 kg/m3 (type C30/37), cela nécessite environ 17,5 t de ciment par MW, ce qui induit l’émission d’environ 12 t de CO2 pour sa fabrication.

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Roches sédimentaires Quaternaire Tertiaire Crétacé Jurassique Permien/Trias

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Paléozoïque

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Roches plutoniques et métamorphiques Granites Roches métamorphiques Roches infra Paléozoïques Roches volcaniques Volcanisme tertiaire

Figure 10 – Carte géologique de la France métropolitaine (établie par le BRGM)

Figure 11 – Semelle immergée dans la nappe

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L’analyse de tous ces éléments permet de disposer d’une connaissance préliminaire du contexte géotechnique et des risques géotechniques associés et d’adapter la campagne d’investigations géotechniques.

À retenir – La France dispose de conditions géotechniques assez favorables compte tenu de l’implantation des éoliennes en partie haute des reliefs. – La présence d’eau souterraine autour de la semelle, même de manière transitoire, impacte fortement le volume de béton requis.

■ Les campagnes d’investigations géotechniques comportent (figure 12) : – des sondages destructifs pour la réalisation d’essais pressiométriques ; – des sondages à la pelle mécanique ou des sondages carottés courts ; – des sondages destructifs avec enregistrement des paramètres de forage ; – des sondages au pénétromètre statique, principalement pour les sites présentant des sols compressibles sur une épaisseur importante.

5. Les investigations géotechniques Pour évaluer les conditions géotechniques de site, les risques géologiques et définir les valeurs caractéristiques des paramètres géotechniques de dimensionnement, la réalisation d’un programme d’investigations géotechniques au droit de chaque éolienne d’un parc est un préalable à la réalisation des missions de conception géotechnique d’avant-projet (G2-AVP), puis de projet (G2-PRO), au sens de la norme NF P 94 500 de novembre 2013.

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■ La définition de la campagne d’investigations géotechniques est

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basée sur la connaissance bibliographique préalable du site : – carte géologique au 1/50 000e établie par le BRGM ; – carte hydrogéologique établie par le BRGM ; – cartographies publiques (argiles/cavités/remontées de nappe, sismicité…) ; – sondages disponibles localement dans la banque de données du sous-sol (BSS), maintenue par le BRGM. Pour les secteurs où le développement éolien est important, les données géotechniques acquises sur les parcs éoliens existants les plus proches, apportent également une connaissance préalable très utile. Dans le contexte particulier des zones d’exploitation souterraine des roches (par exemple marnières en Normandie) ou dans les secteurs où se sont déroulés les combats de la 1re guerre mondiale, une enquête historique préalable doit être réalisée pour évaluer le risque souterrain et adapter le contenu de la campagne d’investigations à ce risque.

Pour une présentation détaillée de ces différents types de sondages et essais, on se réfèrera à l’ouvrage de Reiffsteck et al. [6].

■ Pour chaque fondation, la densité usuelle d’investigation est la suivante : – 1 à 2 sondages destructifs avec réalisation d’essais pressiométriques ; – 1 à 2 sondages destructifs avec enregistrement des paramètres de forage ; – 1 à 2 fouilles à la pelle mécanique, à réaliser en dehors de l’emprise de la semelle pour éviter un remaniement du sol sous la semelle. Des échantillons de sol sont prélevés pour déterminer leurs caractéristiques physiques et en particulier les possibilités de réemploi comme remblai de lest (cf. GTR 92). Les fouilles à la pelle peuvent également permettre la réalisation d’essais d’infiltration en fosse de type Matsuo en vue d’évaluer la capacité drainante des sols. En cas de risque lié à la présence de cavités souterraines, naturelles ou anthropiques, des sondages destructifs complémentaires doivent être réalisés, en complément avec des mesures géophysiques de micro-gravimétrie, qui permettent de rechercher les anomalies de densité dans le sous-sol, associées à ces cavités. Il est usuel, pour la conception des fondations superficielles de grande dimension (supérieures à 5 m), de mener les investigations jusqu’à des profondeurs minimales d’au moins deux fois la largeur de la fondation. L’application de cette règle pour des diamètres de

Figure 12 – Moyens d’investigations mis en œuvre pour les sondages d’une éolienne

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selon la méthode pressiométrique (voir Annexe D de la norme NF P 94-261), elle s’écrit :

semelle de l’ordre 15 à 25 m conduirait à des profondeurs de sondage comprises entre 30 et près de 50 m. Mais, comme cela a été vu au § 3.3, le basculement des semelles conduit à concentrer la perturbation des contraintes dans le sol sur une surface limitée et pour une profondeur relativement faible (ΦS/2), soit entre 7 et 12 m sous la base prévisionnelle de la semelle. Sauf contexte géotechnique spécifique (dissolution ou altération en masse du massif rocheux, forte épaisseur de matériaux compressibles), une profondeur de sondage avec essais pressiométriques de l’ordre 20 à 30 m, comptée à partir du terrain naturel, est donc bien adaptée. L’équipement en piézomètre de quelques sondages destructifs s’avère nécessaire. Dans la mesure du possible, on positionnera les piézomètres au droit des éoliennes présentant les altitudes les plus faibles ou celles pour lesquelles la connaissance hydrogéologique préalable conduit à une profondeur de la nappe la plus faible. Un suivi sur une période correspondant à un cycle annuel complet est nécessaire pour évaluer les différents niveaux de nappe, conformément à l’Eurocode 7.

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L’enquête de voisinage auprès des propriétaires ou exploitants des parcelles agricoles situées dans le voisinage du parc permet également de mieux appréhender les problématiques associées aux accumulations potentielles des eaux superficielles et des cavités.

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6. Dimensionnement des fondations superficielles Compte tenu de l’implantation des éoliennes principalement sur des points hauts ou dans des zones de plateau, les conditions géotechniques sont généralement favorables pour la réalisation de fondations superficielles directement sur les terrains en place. C’est le cas pour environ ¾ des éoliennes installées en France.

avec

kp

facteur de portance pressiométrique, défini dans le tableau D.2.3 de la norme NF P 261,

ple*

pression limite nette équivalente, prise égale à Pl* dans le cas d’un sol homogène ou Plei dans le cas d’un sol stratifié (voir ci-après),

iδ

coefficient de réduction de portance lié à l’inclinaison du chargement (vaut 1 si la charge est verticale),

iδ

coefficient de réduction de portance lié à la proximité d’un talus de pente β (vaut 1 si fondation suffisamment éloignée du talus).

Pour les fondations des éoliennes, la pression limite nette équivalente sous la fondation ple* est évaluée selon les recommandations du CFMS [1] pour chacun des essais pressiométriques réalisés. Cette méthode est basée sur la formule de la semelle fictive. À chaque niveau αi, de mesure de pression limite Pli, on a :

Les coefficients pondérateurs à prendre en compte sont présentés dans le tableau 5 Aux ELS, le coefficient pondérateur à retenir pour la portance du sol est de 2,76. Aux ELU, le coefficient pondérateur à retenir pour la portance du sol est de 1,68. L’effet de l’excentrement des charges conduit à une valeur de iδ comprise entre 0,9 et 1.

6.1 Fondations superficielles au rocher ou sur sol induré 6.1.1 Portance du sol et non glissement

Exemple pour l’éolienne présentée au § 2.8

Les fondations superficielles sont dimensionnées selon l’Annexe Nationale Fondations Superficielles NF P 94-261 de juin 2013, associée à l’Eurocode 7 (cf. [C 246]). Aux ELU comme aux ELS, la condition de non-rupture par défaut de portance du terrain s’écrit : Les contraintes verticales maximales sont inférieures à 270 kPa aux ELS et 450 kPa aux ELU. avec

Vd

valeur de calcul de la composante verticale de la charge transmise par la fondation au terrain,

R0 = π (ΦS/2)² HS γh où HS γh est la contrainte totale initiale à la base de la fondation, Rv;d

Dès lors que la valeur de Plei est supérieure à 900 kPa (0,9 MPa), un mode de fondation superficiel est adapté vis-à-vis du critère de portance du sol. L’estimation des tassements permet ensuite de s’assurer que les sols en place sont aptes en l’état pour retenir un mode de fondation superficiel.

valeur de calcul de la résistance nette du terrain sous la fondation superficielle et s’écrit :

Tableau 5 – Coefficients partiels pour la vérification de la portance du sol avec

A’

facteur partiel pour le calcul de la portance, coefficient de modèle associé à la méthode de calcul pressiométrique, qnet

Coefficient partiel pour calcul de la portance –

valeur de la surface effective comprimée (A’ = π ΦS²/4) pour un excentrement nul),

contrainte associée à la résistance nette du terrain sous la fondation superficielle calculée

ELU Fond

1,4

ELU Acc

1,2

ELS QP & ELS-Car

2,3

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Coefficient de méthode

1,2

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de 40 mm. D’autres constructeurs imposent un critère de désalignement du mât.

La condition de non-glissement de la semelle aux ELU s’écrit :

avec

Hd

effort horizontal appliqué,

Rh;d

frottement de la semelle sur le sol sous-jacent,

Rp;d

butée mobilisable sur le flanc de l’excavation.

Par exemple, le désalignement maximal doit rester inférieur à 8 mm/m, dont 5 mm/m lié au montage de l’éolienne, ce qui signifie que le désalignement du mât induit par le tassement du sol ne doit pas dépasser 3 mm/m. Pour les constructeurs ne définissant pas de valeur admissible, on retiendra la valeur usuelle de tassement différentiel admissible de 2 mm/m pour les structures en béton.

Pour un contact frottant entre la semelle et le sol sous-jacent, le frottement mobilisable s’écrit :

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avec

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Vd

force appliquée à la semelle dans le plan perpendiculaire au plan de glissement,

δa;k

angle de frottement à l’interface semelle-sol,

γR;h =

1,1,

γR;d =

1,1.

Les estimations de tassement sont menées pour les cas de charges correspondant aux ELS. La forme de la semelle circulaire et son basculement induisent un chargement du sol de type lunule comme présenté à la figure 9. Les formules d’estimation des tassements de semelles ou radier soumis à des charges verticales ne sont pas satisfaisantes. L’approche la plus réaliste est d’utiliser un modèle numérique 3D aux éléments finis ou aux différences finies comme le montre la figure 13. Pour simuler le basculement de la semelle et son décollement du sol, il est indispensable de positionner des éléments d’interface entre la semelle en béton et le sol environnant. Compte tenu des charges répétées et d’une possible fatigue du sol sous l’effet de ces cycles de chargement, les modules de sol doivent être estimés avec prudence.

Exemple pour l’éolienne présentée au § 2.8 : – Hd = 1 150 kN (ELU-Fond) ; – Vd = 20 070 kN (ELU Fond) ; – Valeur usuelle de frottement entre la semelle et le sol : 28 ° ; – Rh;d = 20 070 * tan 28 / (1,1*1,1) = 8 819 kN >> 1 150 kN. Compte tenu du poids important des semelles qui est nécessaire pour s’opposer au basculement, la condition de non-glissement est toujours vérifiée avec un large coefficient de sécurité. Le moment de torsion à la base du mât induit une contrainte de cisaillement τ à la sous-face de la semelle, qui s’écrit par analogie avec la torsion d’un cylindre plein :

La norme NF P 94 261 donne des règles pour évaluer le module de déformation E à partir du module pressiométrique EM. Le ratio E/EM est compris entre 3 et 6 dans le cadre général des fondations superficielles. Pour les éoliennes et compte tenu du mode de chargement répété, il est recommandé d’utiliser des ratios E/EM compris entre 1,5 et 3. Les modèles numériques 3D permettent également d’estimer le coefficient de réaction du sol Kw à partir du rapport entre la contrainte maximale qmax et le tassement maximum s :

6.2 Fondations sur sol semi compressible et amélioration des sols Exemple pour l’éolienne présentée au § 2.8 : – MTS = 3 230 kN.m (ELU-Fond) ; – IG/v = 705 m3 ; – τ = 3 230/705 = 5 kPa. La contrainte moyenne à la sous-face de la semelle, notée σm, est de l’ordre de 70 kPa. La contrainte de cisaillement mobilisable peut être estimée par la formule suivante :

Lorsque les terrains en place sous la semelle n’ont pas une portance suffisante ou présentent une déformabilité trop importante, qui ne permettent pas de garantir des tassements compatibles avec les valeurs requises par les constructeurs d’aérogénérateurs, les solutions d’amélioration des sols en place peuvent permettre de conserver un mode de fondation superficiel. Environ 20 à 25 % des éoliennes nécessitent le recours à ces techniques, en général pour des problématiques de tassements admissibles.

6.2.1 Techniques usuelles Il n’y a donc aucun risque de rotation de la semelle sur le sol.

6.1.2 Estimation des tassements Les fabricants d’éoliennes imposent, en général, des valeurs de tassements admissibles des semelles pendant la durée de vie de l’éolienne. Ces valeurs sont exprimées en termes de tassement différentiel ou de tassement absolu. Par exemple, la société Enercon exige que les tassements différentiels demeurent inférieurs à 3 mm/m au cours des 20 ans de durée de vie de l’aérogénérateur. Pour les mâts en béton, le précédent critère de tassement différentiel est complété par un critère de tassement maximum

C 262 – 14

Les techniques d’amélioration des sols usuellement mises en œuvre pour les fondations des éoliennes sont principalement (classées par fréquence décroissante d’usage) : – la substitution de sol : il s’agit d’excaver les terrains immédiatement à la sous-face de la semelle et de les remplacer par un matériau dûment compacté (cf. GTR92 [4]) ou par un gros béton sur une faible épaisseur. La substitution de sol n’est économiquement intéressante que pour des épaisseurs moyennes de purge inférieures à 3 m, voir § 6.2.2 ; – inclusions rigides : ce procédé de renforcement de sol utilise des inclusions en béton ou en mortier, généralement forées à la tarière pour réduire les tassements et augmenter la capacité portante, voir § 6.2.3 ; – colonnes ballastées : cette technique consiste à constituer des colonnes remplies de matériau granulaire (le ballast) de caractéristiques mécaniques élevées, voir § 6.2.4 ;

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______________________________________________________________________________________ FONDATIONS DES ÉOLIENNES EN SITES TERRESTRES

Z

Contour of Z-Displacement

Magfac = 2.000e+002 Exaggerated Grid Distortion Live mech zones shown -1.4442e-002 to -1.4000e-002 -1.4000e-002 to -1.2000e-002 -1.2000e-002 to -1.0000e-002 -1.0000e-002 to -8.0000e-003 -8.0000e-003 to -6.0000e-003 -6.0000e-003 to -4.0000e-003 -4.0000e-003 to -2.0000e-003 -2.0000e-003 to 0.0000e+000 0.0000e+000 to 2.0000e-003 2.0000e-003 to 4.0000e-003 4.0000e-003 to 4.5323e-003

X Y

Interval = 2.0e-003

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Figure 13 – Cas de charge ELS-Car. Déplacements verticaux en m et déformée amplifiée 200 fois

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– injection solide : le traitement est réalisé par injection d’un mortier d’assez forte viscosité qui refoule le sol autour de l’outil de forage en le compactant. Si la méthodologie de réalisation peut assurer la formation de colonnes, elles jouent alors également un rôle de renforcement de sol comme des inclusions rigides, voir § 6.2.4 ; – jet-grouting : ce procédé utilise un jet de fluide à haute énergie cinétique pour déstructurer le terrain et le mélanger avec un coulis liquide constitué de liant, afin de former des colonnes de béton de sol voir § 6.2.4. D’autres solutions d’amélioration des sols existent (par exemple le compactage dynamique, le vibro compactage) mais, à notre connaissance, elles n’ont jamais été utilisées pour des fondations d’éolienne.

6.2.2 Substitution de sol Cette technique est très fréquemment mise en œuvre, qu’il s’agisse d’une purge généralisée ou de purges localisées du fait de l’altération irrégulière du fond de fouille. L’objectif de la substitution est d’enlever les matériaux jugés potentiellement trop déformables (module de déformation insuffisant) ou susceptibles de présenter à terme une évolution défavorable (plastification, fluage…) et de les remplacer par des matériaux de « bonnes » qualités mécaniques. Voir figure 14. Les remblais de substitution doivent présenter les caractéristiques générales suivantes : – matériau insensible à l’eau et non évolutif dans le temps. On retiendra les caractéristiques suivantes : • essai Los Angeles : LA ≤ 40, • essai d’usure micro Deval MDE ≤ 35 ; – déformabilité réduite, grâce à un compactage soigné et à une granulométrie adaptée. La substitution de sol peut également être le moyen de remplacer une couche peu perméable et ainsi de supprimer le risque de sous-pression d’eau. Le massif granulaire mis en œuvre joue alors un rôle de drainage et optimise le volume de la semelle. Les remblais de substitution doivent constituer une couche de déformabilité intermédiaire entre celle de la fondation sus-jacente (extrêmement rigide) et celle des sols sous-jacents. On recherche en général un module Ev2, mesuré par essai à la plaque (cf. norme NF P 94-117-1) d’au moins 50 MPa.

6.2.3 Amélioration de sol par inclusions rigides Il s’agit de la solution d’amélioration des sols la plus utilisée pour les fondations des éoliennes (voir figure 15). Elle est mise en œuvre dans les conditions de sol suivantes : – sols superficiels présentant une portance insuffisante ou une compressibilité trop forte ; – hétérogénéité des sols superficiels ou variabilité spatiale du toit du substratum terrains de fondation. Les colonnes en béton ont un diamètre compris entre 0,25 et 0,45 m. Elles sont forées de manière privilégiée avec une tarière refoulante. Un matelas de répartition, constitué de matériau granulaire compacté, est disposé entre la tête des inclusions et la base de la semelle. Ce matelas a pour objet de permettre le transfert des sollicitations dans les inclusions par développement d’un effet voûte (cf. figure 16). L’épaisseur du matelas est usuellement de 0,8 m. L’absence de connexion mécanique entre la semelle et les inclusions évite le développement d’efforts de traction dans ces dernières, limitant les risques de fatigue de l’interface avec la répartition des cycles de chargement-déchargement (cf. § 7.3). Suivant le diamètre de la semelle et la nature des terrains en place, le nombre d’inclusions varie entre 50 et 80 et la densité moyenne des inclusions est comprise entre 1 pour 4 m2 et 1 pour 5 m2. Les inclusions sont positionnées sur des cercles concentriques, avec une densité d’inclusions croissante du centre vers la périphérie de la semelle, là où les contraintes verticales sont les plus fortes (cf. figure 17). Le dimensionnement des inclusions et du matelas de répartition est fait sur la base des documents suivants : – recommandations ASIRI [2] ; – recommandation du CFMS [1] pour les fondations des éoliennes terrestres et en particulier le § 4.4 de cet article ; – cahier des charges propres aux entreprises de travaux d’amélioration des sols. Les inclusions rigides sont exécutées depuis une plateforme granulaire de 0,3 à 0,4 m d’épaisseur (voir figure 18). Les têtes de colonnes sont arasées jusqu’à la base de la plateforme granulaire. Après exécution de toutes les colonnes, la plateforme est complétée par 0,4 à 0,5 m de matériaux granulaires supplémentaires, permettant d’obtenir le matelas de répartition de 0,8 m au total. La compacité du matelas de répartition est contrôlée par des essais de plaque. Le module EV2 recherché est usuellement de 50 MPa.

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C 262 – 15

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Figure 14 – Exemple d’orniérage du remblai de substitution dû à mauvais compactage

Semelle Matelas de répartition (H = 0,8 m)

Inclusions rigides

Sol compressible

Substratum

Figure 15 – Schéma d’une éolienne reposant sur un sol amélioré par des inclusions rigides

6.2.4 Adaptation des techniques aux conditions de sol La figure 19 résume pour différentes conditions de sol les solutions techniques adaptées.

6.3 Drainage La prise en compte de la sous-pression hydraulique conduit à une augmentation du volume de béton (environ 50 m3 par MW) et de la masse d’acier. Certains contextes topographiques ou géotechniques sont favorables à la solution du drainage.

C 262 – 16

Plusieurs solutions peuvent être mises en œuvre

■ En présence d’une pente suffisante à l’aval, un dispositif de drainage gravitaire constitué d’une base drainante sous la semelle, associé à un drain périphérique connecté à un exutoire avec écoulement gravitaire (voir figure 20). Cela suppose que le site présente une pente naturelle suffisante (au moins 3 m de dénivelé sur une distance inférieure à 50 m). Comme tout système de drainage, il doit faire l’objet d’un entretien régulier et en particulier de s’assurer que le drainage n’est pas colmaté par les fines en provenance du sol en place. Le diamètre des drains doit permettre un hydrocurage.

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drainance verticale naturelle des sols en place sous la semelle devant alors permettre d’éviter le développement d’une nappe à sa base. Cette solution doit être envisagée dans le cadre d’une gestion globale des eaux pluviales du site.

q0

c’; φ’; γ HM

6.4 Fondations pour des sites en pente

(II) (III)

(I)

qs+

Quelques parcs éoliens sont implantés sur des sites en pente (cf. figure 21). Compte tenu de la nécessité de garantir de bonnes conditions de vent, les pentes restent cependant modérées : entre 10 et 25 %, soit un angle d’au plus 15°. Cette configuration topographique induit quelques spécificités de conception, comme schématisé sur la figure 22 :

qs+

+ qp

Figure 16 – Fonctionnement du matelas de répartition (extrait des recommandations ASIRI)

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■ Si les terrains en place, directement sous la semelle ou à faible

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profondeur sous celle-ci sont plus perméables que les matériaux de remblai de lest (par exemple craie, calcaire altéré), la réalisation d’une substitution en matériau granulaire permet d’obtenir un drainage gravitaire naturel,

■ Une troisième famille de solutions techniques consiste à positionner une étanchéité par géomembrane à faible profondeur afin de réduire les infiltrations d’eaux météoriques au droit de la semelle, la

– l’écoulement des eaux superficielles doit faire l’objet d’une attention particulière pour éviter leur accumulation à l’amont de la semelle. Cependant, la pente naturelle facilite la mise en place d’un drainage gravitaire du type de celui décrit au § 6.3 (cf. figure 20), l’exutoire du drainage gravitaire étant positionné à faible distance de la semelle à l’aval du pied du remblai de lest ; – la stabilité du remblai de lest à l’aval doit être étudiée spécifiquement. La pente du talus de lest à l’aval doit rester inférieure à 2H/1V et le compactage doit être particulièrement soigné ; – en cas d’altération des sols de fondation qui se développe parallèlement à la surface du sol, la partie aval de la semelle repose donc sur des terrains moins résistants que la partie amont. Des solutions d’amélioration des sols peuvent être envisagées pour la partie aval des sols de fondation afin d’homogénéiser la déformabilité sous la semelle.

10

8

6

4

2

R (m)

Nb IR

8,8

25

7

19

5

13

2,5

6

Axe mât

1

Total

64

0 -10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

-2

-4

-6

-8

-10

Figure 17 – Exemple d’implantation d’inclusions rigides sous une semelle (64 inclusions réparties sur 4 cercles concentriques – diamètre semelle 19,5 m)

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C 262 – 17

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Figure 18 – Exécution des inclusions rigides

• Cas du sol bicouche :

Des modélisations bidimensionnelles comparatives permettant de calculer des déplacements ont été réalisées pour une semelle fondée sur un terrain homogène ou sur un terrain horizontal ou sur un terrain présentant une pente modérée (≤ 15°) : ces modélisations n’ont pas mis en évidence de différence sensible entre les tassements estimés et ces deux configurations géométriques.

Le module de cisaillement dynamique GMax, c’est-à-dire à très petites déformations, peut être estimé sur la base de corrélations avec le module pressiométrique EM. On retient généralement la relation suivante entre la valeur de Gmax et le module pressiométrique EM :

6.5 Raideur dynamique en rotation Une éolienne est une machine vibrante, sous les effets dynamiques du vent et en particulier du déventement régulier lorsqu’une pale passe devant le mât (fréquence de l’ordre de 1 s). Pour éviter les phénomènes de résonnance entre la semelle et le sol de fondation, il est nécessaire que la raideur dynamique en rotation (« rocking »), notée kφ,dyn, soit supérieure à une valeur minimale définie par le constructeur de l’aérogénérateur. Cette vérification est à faire pour une éolienne en service, c’est-à-dire pour un cas de charge de type ELS-QP dont la semelle ne présente aucun décollement.

Pour les sols de type argileux ou sableux, le rapport du module de cisaillement G par le module de cisaillement maximum (très petites déformations) évolue en fonction de la distorsion suivant des courbes présentant une forme générale comme celle représentée par la figure 24.

La distorsion maximale ou déformation de cisaillement γ dans les sols de fondation est évaluée par la relation suivante :

Pour un taux de distorsion de 0,05 %, comme dans l’exemple présenté, le ratio G/GMax est de l’ordre de 0,65 à 0,75, ce qui permet ainsi d’évaluer G, puis la valeur de kφ,dyn.

La valeur de γ est généralement inférieure à 0,1% comme l’illustre l’exemple suivant : – MRS = 46 MN.m (données constructeur) ; – kφ,dyn ≥ 90 000 MN.m/rad (exigence constructeur) ; – γ ~ MRS / kφ,dyn < 47 / 90 000 < 5,2.10–4 rad ~ 0,05 %

■ La raideur dynamique en rotation k(,dyn, est définie pour une

À retenir

fondation circulaire de rayon r, en contact avec le sol sur toute sa surface à partir des formules suivantes [7], pour un sol homogène ou pour un sol bicouche (figure 23) : • Cas du sol homogène :

C 262 – 18

– Pour des terrains présentant une pression limite nette supérieure à 0,9 MPa, un mode de fondation superficiel est adapté. – Des techniques d’amélioration des sols de type substitution ou inclusions rigides peuvent être mises en œuvre pour homogénéiser ou réduire la déformabilité apparente des terrains de fondation. – Les pentes faibles (< 15°) ne modifient pas le fonctionnement des fondations. La présence de pente est favorable pour la mise en place d’un drainage gravitaire, qui permet de réduire le volume de béton de la semelle.

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Contexte géotechnique

Techniques d’amélioration des sols

1) Sol compressible – Substitution de sol (H < 3 m) Semelle Sol compressible

– Inclusions rigides H

PLM* ≥ 0,4 MPa 3 m ≤ H ≤ 20 m

Substratum géotechnique 2) Variabilité du toit du substratum

Semelle

– Colonnes ballastées PLM* ≥ 0.6M Pa (sols fins argileux) 3 m ≤ H ≤ 15 m

Contexte géotechnique fréquent

Sol compressible H Substratum géotechnique

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3) Substratum altéré en poche ou en strates

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– Jet-grouting Injection solide

Semelle

PLM* ≥ 0,2 MPa (dans la roche très altérée) 3 m ≤ H ≤ 20 m Contexte géotechnique rare

Roche altérée

Semelle Marno-calcaire sain Marno-calcaire très altéré Marno-calcaire sain 4) Sol résistant recouvrant un sol compressible

– Inclusions rigides PLM* ≥ 1 MPa dans le sol compressible

Semelle

Contexte géotechnique rencontré dans le nord de la France et en Belgique

Sol peu compressible (sables ou graviers)

Sol compressible (argiles ou silts) 5) Milieu rocheux fracturé

– Jet grouting / Injection solide Fractures remplies de sable, limon ou argile

Semelle

Milieu rocheux

Contexte géotechnique rare

Fractures

Figure 19 – Techniques d’amélioration des sols pour différents contextes géotechniques

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C 262 – 19

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Drain périphérique

Semelle Semelle Base drainante/substitution Géotextile anti-contaminant Drain périphérique

Pente (≥ 1 %)

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Exutoire

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Figure 20 – Schéma de principe d’un drainage gravitaire

Figure 21 – Excavation pour une éolienne implantée dans un site en pente

7. Dimensionnement des fondations profondes Comme déjà évoqué, la recherche des meilleures conditions de vent conduit à implanter de manière privilégiée les éoliennes sur les parties hautes du relief. De facto, les sites où les conditions géotechniques sont propices à la réalisation des fondations profondes sont donc assez rares. Ces dernières années, le nombre d’éoliennes fondées sur des pieux est faible (< 5 %). Les contextes géotechniques qui conduisent à retenir des fondations par pieux sont principalement : – terrains superficiels compressibles ; – karstification ou altération importante en profondeur.

C 262 – 20

7.1 Sollicitations dans les pieux Les pieux sont positionnés à la périphérie de la semelle de l’éolienne. Leur nombre varie usuellement entre 10 et 18 par semelle. Les diamètres usuels des pieux sont compris entre 0,8 et 1,2 m. Les efforts dans les pieux peuvent être estimés par la relation suivante (voir figure 25) :

avec

FVS

force verticale à la base de la semelle ;

npieu

nombre de pieux ;

MRS

moment de renversement à la base de la semelle ;

ΦP

distance maximale entre les axes des pieux.

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TN : Pente 20 %

Remblai amont Pente ≈ 3H/2V

Terrassement 1H/1V

Remblai aval Pente 2H/1V Semelle

Exutoire drainage 3m

Base drainante

Strate 1 - Pl* = 0,9 MPa

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Strate 2 - Pl* = 2,0 MPa

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10 m

Substratum - Pl* ≥ 4 MPa

Figure 22 – Schéma de principe d’une éolienne construite sur site en pente

7.2 Fonctionnement des pieux La figure 26 schématise le mode de fonctionnement d’un pieu. Le pieu, soumis à un effort de compression en tête, mobilise le frottement latéral le long de son fût, ainsi que le terme de pointe QP à sa base. Pour un effort de traction, seul le frottement latéral est mobilisable. X r = Φs/2 H

Sol1 - G1

À partir de la méthode pressiométrique, le terme ultime de pointe est proportionnel à la section du pieu multipliée par la pression limite nette équivalente sous la pointe, pondérée par un facteur de portance kp qui dépend du type de pieu et de la nature du sol. Le terme de frottement latéral unitaire est défini, couche par couche, à partir d’abaques dépendant du type de pieu, de la nature du sol et la résistance du sol (pression limite nette). On se réfèrera à l’article [C 248] pour la méthodologie de calcul de la portance du sol.

Sol2 - G2

Les « types » de pieux retenus sont généralement les suivants : – pieux forés à la tarière creuse ; – pieux forés à la boue ; – pieux tubés avec virole perdue, en particulier dans les contextes karstiques afin de maîtriser les volumes de béton mis en œuvre.

Z

Figure 23 – Schématisation d’un sol bi-couche

Par analogie avec les exigences de soulèvement pour des fondations superficielles, les exigences de dimensionnement des efforts de traction dans les pieux sont :

7.3 Prise en compte des charges alternées

– ELS QP : aucune traction dans les pieux (Qmin ≥ 0 en notant positivement les efforts de compression) ; – ELS Car : au moins trois quarts des pieux en compression ; – ELS Fond : au moins la moitié des pieux en compression.

Les variations de l’intensité et de l’orientation du vent au cours de la durée de vie d’une éolienne conduit à des sollicitations cycliques, voire alternées. Elles ont un effet négatif sur la résistance de l’interface sol/fondation, qui nécessite d’être pris en compte dans

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1 0,9 0,8 0,7

G/G0

0,6 0,5 0,4 IP = 45

IP = 60

IP = 80

0,3 0,2 γ = 0,05 %

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0,1

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0 0,0001

0,001

0,01

0,1

1

Distorsion γ (%) Figure 24 – Schéma d’évolution du module G/Gmax

Figure 25 – Vue des têtes de pieux avant construction de la semelle (16 pieux de diamètre 800 mm)

7.4 Effet de groupe et coefficient d’efficacité

le calcul de dimensionnement. D’après l’article 7.6 de l’Eurocode 7 (EC7 Calcul géotechnique NF EN 1997-1) – Pieux sous chargement axial §7.6.3 – Résistance à la traction du terrain, « l’effet défavorable sévère des chargements cycliques et des inversions de charge sur la résistance à la traction doit être pris en compte ». Ainsi, les valeurs de frottement latéral unitaire qsi à retenir dans les calculs de portance doivent été minorées. Un facteur de sécurité complémentaire de 1,5 est retenu au regard des résultats d’essais publiés dans le projet national SOLCYP, Recommandations pour le dimensionnement des pieux sous chargements cycliques [5].

C 262 – 22

Le coefficient d’efficacité des pieux, noté Ce, permet de définir la réduction de portance des pieux due aux interactions générées par la proximité des pieux (effet de groupe). Selon l’Eurocode 7 – Fondations Profondes (NF P94-262), le coefficient d’efficacité est pris égal à 1 lorsque l’espacement des pieux est tel que la distance entre les axes des pieux est supérieure à 3 fois leur diamètre.

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0

Qc

Ql

Q

D qsi D : profondeur du pieu qsi : frottement latéral unitaire limite de la ième couche qp : résistance unitaire de pointe

qsj w

Ql : charge limite n tête Qc : charge de fluage w : tassement du pieu en tête

qp

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Figure 26 – Schéma de fonctionnement d’un pieu

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Exemple La fondation présentée sur la figure 25 comporte 16 pieux de 800 mm de diamètre. Le diamètre de la semelle est de 14,2 m. Les pieux sont implantés sur un cercle de 12,4 m de diamètre. La distance entre les axes des pieux est donc de 2,43 m, soit un peu plus de 3 fois le diamètre des pieux. Le coefficient d’efficacité Ce est donc évalué à 1.

7.5 Efforts parasites et interactions Les efforts parasites et interactions peuvent avoir 3 origines : – la mise en place d’un remblaiement au-dessus du sol après la réalisation des pieux dans le cas de sols très compressibles. Cette configuration géotechnique n’est envisageable que pour des terrains naturels subhorizontaux. Dans cette configuration, on veillera à enterrer totalement la semelle et son remblai de lest ; – la présence d’une pente ou d’un talus. Comme présenté au § 6.4, les éoliennes ne sont installées que sur des pentes faibles. Ce risque est donc très limité ; – la présence d’autres ouvrages à proximité. La distance requise avec les habitations et avec les autres éoliennes (a minima deux fois la longueur des pales) permet de négliger les interactions avec d’autres ouvrages.

7.6 Raideurs horizontales et verticales Les constructeurs demandent une vérification des raideurs horizontales kH,dyn et verticales kV,dyn sous sollicitations dynamiques. Dans un premier temps, ces calculs doivent être menés en considérant les sollicitations statiques : calcul du tassement d’un pieu par la méthode de Frank & Zhao et calcul du déplacement d’un pieu sous sollicitation horizontale. Si les raideurs statiques ainsi calculées sont inférieures aux raideurs dynamiques requises, des calculs d’interaction sol-structure complexes doivent alors être mis en œuvre.

À retenir – Les pieux, de gros diamètre, sont positionnés à la périphérie de la semelle. – Les sollicitations alternées, passant du domaine de la compression à celui de la traction, nécessitent un surdimensionnement des pieux pour prendre en compte ce phénomène de fatigue de l’interface.

8. La gestion des risques géotechniques 8.1 L’organisation des missions d’ingénierie géotechnique La norme NF P 94 500 de novembre 2013 définit le cadre général d’enchaînement des missions d’ingénierie géotechnique à réaliser dans la cadre de la construction d’un ouvrage. Ces missions sont organisées en 3 étapes successives : – les études préliminaires ; – les études de conception ; – la réalisation des travaux. Les missions d’ingénierie géotechnique sont en général engagées après l’obtention du permis de construire. Voir le tableau 6 On notera que la mission G1-ES est souvent faite au stade de la remise de l’offre, avec l’identification du contexte géologique et géotechnique au droit du projet, ainsi que les principaux risques géotechniques induits par ce contexte. La mission G1-PGC est rarement faite car la fondation à construire est déjà bien définie et les objectifs très proches de ceux de la mission G2-AVP.

8.2 Risque de remontée de la nappe Le risque le plus impactant en termes de dimensionnement des fondations est celui lié à la remontée de la nappe ou tout au moins au développement d’une nappe perchée transitoire à la sous-face de la semelle. Ces aspects liés à des nappes perchées ont été présentés au § 4.2 pour la prise en compte de la nappe et au § 6.3 pour le drainage. Lorsque la cote de la base de la semelle est proche de la cote moyenne de la nappe phréatique, une étude hydrogéologique devra être menée pour évaluer les niveaux des plus eaux connues. La figure 28 présente l’évolution de la nappe de la craie dans le nord de la France, pour une période de mesure de 46 ans. On notera une période de crue de la nappe importante au début des années 2000. Le réseau national de piézomètres de la base ADES (Accès aux Données sur les Eaux Souterraines), permet d’évaluer sur un cycle long ce risque de remontée de nappe. On notera qu’en cas de remontée de nappe, les solutions de drainage ne sont pas adaptées et les fondations seront impérativement dimensionnées avec eau.

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Tableau 6 – Réalisation des missions géotechniques Étapes G1 –

G2

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G3/G4

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Phases

Objectifs

G1-ES (Étude de Site)

Identifier le contexte géotechnique général et les risques géotechniques locaux

G1-PGC (Principes Généraux de Construction)

• Réaliser les investigations géotechniques • Définir le modèle géotechnique de calcul au droit de chaque semelle • Fournir les éléments sur le mode de fondation (superficiel avec ou sans amélioration des sols, profond), présence d’une nappe ou non

G2-AVP : avant-Projet géotechnique

Prédimensionnement des fondations et des voiries et du choix technique concernant les eaux souterraines (avec ou sans eau)

G2-PRO : projet Géotechnique G2-DCE (documents de consultation des entreprises et ACT (Assistance au contrat de travaux)

Rédaction du dossier géotechnique du DCE, participation à l’analyse des offres

G3-Études géotechniques d’exécution

Dimensionnement des fondations et des solutions d’amélioration des sols

G4-Supervision géotechnique d’exécution

• Vérification des fonds de fouille : qualité du fond de fouille, homogénéité (cf. figure 27), purges supplémentaires… • Validation de la qualité du compactage des matériaux de substitution (contrôle visuel et essais à la plaque) • Vérification des améliorations de sol mises en œuvre (contrôle des fiches de réalisation) • Vérification des fiches de foration/bétonnage des pieux et des mesures de contrôle

Figure 27 – Exemple de fond de fouille non homogène sous une semelle

8.3 Risque lié aux cavités 8.3.1 Cavités naturelles Les phénomènes de dissolution concernent principalement les roches salifères, gypsifères ou carbonatées (calcaire ou craie). Ce sont ces dernières qui sont le plus fréquemment rencontrées dans le cadre des fondations d’éoliennes. Voir figure 29 En milieu volcanique, des cavités peuvent être rencontrées : chenaux d’écoulement de lave et fantômes d’arbres carbonisés.

C 262 – 24

Dans le cadre de phase G1-ES, il est indispensable d’estimer ce risque grâce aux éléments bibliographiques publics : cartographie des cavités et carte topographique, où les dolines apparaissent généralement. Une enquête auprès des exploitants des parcelles agricoles aux alentours est souvent riche d’enseignements sur la survenue d’affaissement ou d’effondrement. En cas de suspicion de risque, il convient d’adapter les investigations avec notamment la réalisation d’une campagne géophysique de type micro-gravimétrie associée à des sondages destructifs de contrôle.

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ADES Station de mesure des eaux souterraines

Graphique du piézomètre 00801X0005/S1 - PIEZOMETRE DE BONNEUIL-LES-EAUX - 60

Cote NGF (m)

92,5

90

NPHE : Hiver 2001-2002 + 5,5 m / moyennes eaux

87,5

Moyennes eaux

85 1970

1975

1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

2015

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Figure 28 – Exemple d’évolution piézométrique de la nappe de la Craie sur une période de 46 ans

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Figure 29 – Carte d’aléa cavité à gauche (chaque triangle jaune représente une cavité naturelle) et exemple de cavité mise à jour sous une éolienne

8.4 Risque retrait argile

8.3.2 Cavités anthropiques Les cavités liées à l’activité humaine regroupent principalement les anciennes carrières et les sapes de la 1re guerre mondiale dans le nord et l’est du territoire français. Si les grandes exploitations souterraines sont généralement assez bien documentées, il n’en va pas de même avec les petites exploitations et en particulier les marnières, qui étaient des exploitations locales, permettant d’amender les terres cultivées par extraction de la craie ou du calcaire. Cet aléa est en particulier très élevé en Normandie et en Picardie.

Le BRGM a cartographié le territoire français vis-à-vis de l’aléa de retrait/gonflement des sols en fonction de la nature argilolimoneuse ou non des terrains superficiels. Trois niveaux d’aléa sont ainsi définis : faible, moyen, fort. Les fondations des éoliennes sont enterrées à des profondeurs comprises entre 2,5 et 3,5 m. Les semelles ont une grande dimension. Du fait de ces deux éléments, le risque induit par le retrait/gonflement des sols peut être négligé.

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recompactées peuvent présenter des poids volumiques plus faibles, de l’ordre de 17 kN/m3.

Cette cartographie renseigne néanmoins sur la nature des terrains excavés, les possibilités de réemploi en remblai de lestage, ainsi que la capacité d’infiltration des sols superficiels.

En phase de terrassement, les déblais sont mis en dépôt sous forme d’un dôme et sont « refermés » au bulldozer. Cette disposition permet de limiter les variations hydriques du matériau sur la durée d’ouverture de la fouille. Le remblaiement est réalisé avec un compactage approprié mais sans rechercher nécessairement l’Optimum Proctor. Un contrôle du poids volumique est réalisé à l’avancement via des contrôles de densité au gamma-densimètre.

8.5 Risque lié aux mouvements gravitaires Les sites éoliens sont généralement implantés sur des sites présentant un faible relief pour bénéficier de bonnes conditions de vent. Le risque lié aux mouvements gravitaires, et en particulier au glissement de terrain, est généralement négligeable.

9.2 Piste d’accès et plateforme de montage

8.6 Risque sismique

La construction d’un parc éolien génère la circulation de nombreux engins, dont les principaux sont les suivants :

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Les impacts d’un séisme sont de deux natures : – des effets inertiels et cinématiques appliqués aux fondations ; – un risque de liquéfaction des sols en place sous la semelle.

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– les toupies béton, pour la réalisation du massif de fondation (environ 50 toupies par massif) ;

La règlementation sismique française classe les éoliennes en catégorie d’importance 1. En théorie, aucune justification sismique n’est requise. Néanmoins, en zones de moyenne ou forte séismicité (zones 4 et 5), il recommandé de vérifier que la portance du sol aux ELU accidentel est suffisante et que le décollement de la semelle respecte les limites définies au § 3.2. Ce sont les sollicitations avec une accélération verticale ascendante qui sont les plus préjudiciables car, du fait de l’allègement de la semelle, son taux de basculement augmente, ce qui réduit sa surface comprimée et majore donc la contrainte verticale maximale appliquée au sol.

– les convois de transport des éléments constituant l’éolienne ; – la grue de levage (voir figure 30). La bonne traficabilité pour ces engins et la stabilité de la grue sont cruciales pour mener à bien la construction du parc. Par ailleurs, l’accès aux éoliennes doit rester satisfaisant durant toute leur vie afin de garantir leur maintenance et leur réparation si nécessaire. Tous les constructeurs d’aérogénérateurs ont élaboré un cahier des charges spécifique au transport et aux exigences de grutage.

Pour ce qui concerne la liquéfaction des sols, les éoliennes sont des machines vibrantes : le déventement périodique des pales lorsqu’elles passent devant le mat génère des vibrations à une fréquence de l’ordre de 1 Hz (le rotor a une vitesse maximale de rotation de l’ordre de 20 tours par minute soit 60 déventements par minute). Indépendamment des risques liés spécifiquement au séisme, il est nécessaire de s’assurer que les sols de fondation ne présentent pas de susceptibilité à la liquéfaction.

Le trafic au droit d’un parc éolien est occasionnel : période de construction puis entretien et maintenance. La réalisation des accès ne répond pas à des exigences routières classiques, incluant par exemple un enrobé en surface. La structure des accès et plateformes s’identifie à une couche de forme de très bonne portance. Les constructeurs d’aérogénérateurs exigent une portance minimale Ev2 de 100 MPa, mesurée à la plaque LCPC ou à la dynaplaque.

À retenir

Pour les sites rocheux, la création d’une couche de forme ne s’impose pas et peut donc se réduire à une couche de fin réglage.

– L’enchaînement des missions d’ingénierie géotechnique conformément à la norme NF P 94 500 est nécessaire pour maîtriser les risques géotechniques aux différentes étapes du projet. – Les risques liés aux cavités naturelles (kart) ou anthropiques (marnières ou sapes de guerre) sont les plus impactants pour les fondations des éoliennes.

Pour les sites non rocheux, le recours à une couche de forme s’impose. La Plateforme Support de Terrassement (PST) correspond au niveau de décapage de la terre végétale, soit généralement 0,4 m de profondeur. Lorsque la PST présente une portance médiocre (EV2 < 20 MPa), il est d’usage de traiter à la chaux cette dernière, ou plus rarement de procéder à une substitution granulaire. En fonction des conditions d’arase et de PST, des structures variables pourront être mises en œuvre (figure 31) :

9. Remblaiement, accès et plateforme de montage

– une couche de forme en matériaux traités aux liants hydrauliques et/ou à la chaux, protégée par un enduit gravillonné et une couche granulaire (environ 10 cm) ;

9.1 Le remblai de lestage

– une couche de forme en matériaux granulaires et un géotextile de séparation ;

Le dimensionnement des fondations d’éoliennes prend en compte un lestage assuré par des remblais mis en place au-dessus de la semelle en béton. Il s’agit en principe des déblais issus l’excavation de la fouille, qui sont recompactés. Des essais de compactage Proctor (cf. norme NF P94 093) sont réalisés dans le cadre de l’étude géotechnique préalable afin d’appréhender le poids volumique des remblais de lestage. Le poids volumique apparent des remblais de lestage est en général compris entre 18 et 20 kN/m3. Néanmoins, certaines craies

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– une couche de forme en matériau granulaire et un géosynthétique de renforcement. La première structure citée est la plus courante. Les déblais d’excavation des fouilles de fondation, excédentaires pour une réutilisation en remblai de lestage, sont traités et réutilisés pour la création des voiries et plateformes. Cette disposition permet une optimisation des mouvements de terres du projet. Les matériaux granulaires sont davantage employés pour combler un déficit de matériaux ou pour les sites impropres au traitement.

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Figure 30 – Grue mobile en attente sur une plateforme

Figure 31 – À gauche, arase de terrassement d’un accès, à droite, remblaiement en matériau granulaire d’un accès

10. Réflexions sur le repowering

années, rendra nécessaire de remplacer les éoliennes arrivées en fin de vie dans le cadre d’un processus appelé rééquipement ou repowering.

La durée de vie conventionnelle d’un aérogénérateur est d’une vingtaine d’années (cf. norme NF EN 61 400). Les contrats d’achat de l’électricité à prix garanti portent dans la plupart des cas sur une durée de 15 ans, au-delà de cette période l’électricité étant rachetée au prix du marché. La poursuite du développement de la puissance électrique d’origine éolienne au cours des prochaines

Sur une période de 15 à 20 ans, la technologie éolienne a fortement progressé. Les phases de rééquipement, appelées « repowering », sont donc l’occasion de remplacer d’anciennes éoliennes par de nouvelles, plus performantes. Ces opérations présentent de nombreux avantages : – alors que la mise en exploitation d’un nouveau site demande la réalisation de nombreuses études pour évaluer son potentiel,

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C 262 – 27

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le génie éolien, le génie-civil et la géotechnique. Les sujets géotechniques associés au repowering concernent principalement : – l’évaluation de la fatigue/compactage du sol sous la semelle après 20 ans d’exploitation ; – l’homogénéisation des conditions de fondation à la périphérie de l’ancienne semelle partant du principe que la nouvelle semelle devrait être plus large ; – une meilleure évaluation des sollicitations réellement appliquées au sol par la semelle afin d’évaluer et en particulier la recherche d’éventuelles marges de sécurité liées à un possible surdimensionnement des semelles.

250 ≥ 3,5 MW

Hauteur (m)

200

3,0 MW 2,5 MW

150

2,0 MW 1,5 MW

100

0,75 MW

Les réflexions menées dans le cadre de ce projet montrent qu’il serait beaucoup plus complexe et moins pertinent de réutiliser une semelle fondée sur des pieux qu’une semelle fondée superficiellement dans le cadre d’un repowering.

50

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19952000

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20002005

20052010

20102015

20152020

Au-delà

Figure 32 – Évolution de la puissance unitaire des aérogénérateurs

11. Conclusions

le prolongement de la durée de vie d’un parc existant permet de s’appuyer sur un ensemble de données connues et sur les ressources disponibles. Il profite également des infrastructures existantes : piste d’accès, poste de livraison, raccordement au réseau électrique national ; – le remplacement des anciens aérogénérateurs par de nouveaux aux rendements plus élevés permet d’exploiter une plus grande quantité d’énergie, avec une moindre utilisation des terres ; – les emplois locaux sont préservés tout comme les ressources fiscales des collectivités territoriales ; – enfin, les habitants sont déjà habitués à la présence d’un parc éolien, ce qui induit, en général une meilleure acceptation locale du projet.

Sur le territoire français, les conditions géotechniques sont favorables à l’installation d’éoliennes et offrent très majoritairement la possibilité de retenir un mode de fondations superficielles, avec pour environ un quart des éoliennes, la mise en œuvre de techniques d’amélioration des sols en place (purge et substitution ou inclusions rigides).

On observera que, sur la période de 20 ans correspondant aux années 2000-2020, la puissance unitaire des aérogénérateurs a fortement augmenté. Néanmoins, il est probable que cette courbe d’accroissement se stabilise dans le futur car les conditions d’acceptabilité visuelle des éoliennes en sites terrestres rendent difficile d’accroître la hauteur des mâts et la dimension des rotors. La solution de repowering la plus simple est de construire une nouvelle semelle à proximité d’une semelle existante puis démonter l’ancienne éolienne et déconstruire sa semelle en béton armé. Une deuxième solution, assez proche dans son principe, est de déconstruire la semelle puis d’en reconstruire une au même emplacement. L’analyse du cycle de vie des matériaux, d’émission de CO2 et de production de déchets de déconstruction, montre que les deux premières solutions, basées sur la déconstruction d’un massif en béton fortement armé pour en reconstruire un similaire, ne sont pas pertinentes. Une 3e famille de solutions serait d’utiliser tout ou partie de la semelle existante pour constituer une nouvelle semelle. Ces solutions semblent d’autant plus pertinentes que la puissance du nouvel aérogénérateur est proche de celle de l’aérogénérateur remplacé. Le projet de recherche FUI 25 FEDRE (2018-2022), piloté par Antea Group et le laboratoire GEOMAS de l’INSA de Lyon et associant plusieurs partenaires industriels, vise à rechercher des solutions permettant de réutiliser tout ou partiellement les semelles existantes. Les problèmes techniques soulevés par la réutilisation des anciennes fondations sont nombreux et concernent aussi bien

C 262 – 28

Compte tenu du basculement de la semelle de l’éolienne lorsqu’elle est soumise aux efforts de vent, l’accroissement des contraintes verticales dans le sol est concentré à la périphérie de la semelle. Les premiers mètres sous la base de la semelle (moins d’une fois le rayon de la semelle) sont les plus sollicités et leurs caractéristiques géotechniques sont donc fondamentales pour définir le mode de fondation. L’évaluation des tassements, est importante pour le choix d’une amélioration de sol ou non. Elle doit prendre en compte la forme circulaire de la semelle et le basculement de celle-ci. La prise en compte ou non d’une sous-pression hydrostatique sous la base de la semelle impacte également fortement la conception de la semelle et en particulier son diamètre et sa masse et le coût de la semelle. Une estimation rapide permet de chiffrer à environ 12 t d’émission de CO2 supplémentaire par MW pour la seule fabrication du ciment supplémentaire entre une éolienne avec nappe par rapport à la même éolienne sans nappe. Le sujet principal pour le géotechnicien est donc d’évaluer si une nappe perchée est susceptible d’être présente en période de forte pluviométrie. Une réponse à cette question peut être obtenue en analysant les conditions de ruissellement des eaux pluviales (site en pente ou non) et les conditions d’infiltration des eaux dans les terrains en place (perméabilité des sols et contrastes de perméabilité dans les premiers mètres du sol). Pour un site sans pente générale clairement identifiée ou avec des terrains superficiels faiblement perméables, il est prudent de dimensionner les fondations avec nappe. Il apparaît préférable d’éviter de fonder les semelles des éoliennes sur des pieux compte tenu de leur mode de fonctionnement en sollicitations alternées (pieux alternativement en traction et en compression en fonction des conditions de vent), ce qui peut réduire le frottement latéral mobilisable le long des futs des pieux. Enfin, le sujet géotechnique majeur au cours des prochaines années sera la mise en œuvre de solutions de repowering pour permettre la poursuite du développement de la puissance du parc éolien tout en minimisant les impacts environnementaux du parc.

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P O U R

Fondations des éoliennes en sites terrestres par

E N

Eric ANTOINET Directeur technique Infrastructures Antea Group, Olivet, France

Maxime MARTHE

et

Responsable Activité Eolienne France Antea Group, Lille, France

Sources bibliographiques

Parution : novembre 2020 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200031101 - universite de clermont auvergne // 195.221.120.100

[1]

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[2]

CFMS, Groupe de travail « Fondations d’éoliennes ». – Recommandations sur la conception, le calcul, l’exécution et le contrôle des fondations d’éoliennes, 5 juillet 2011. Projet national ASIRI. – Recommandations pour la conception, le dimensionnement, l’exécution et le contrôle de l’amélioration des sols de fondation par inclusions rigides, Presses des Ponts (2012).

[3]

[4]

CFMS, Groupe de travail. – Recommandations sur la conception, le calcul, l'exécution et le contrôle des colonnes ballastées sous bâtiments et ouvrages sensibles au tassement, Revue Française de Géotechnique, n° 111, 2e trimestre (2005). Guide des Terrassements Routiers. – Réalisation des remblais et des couches de forme, LCPC, SETRA, (GTR92) (1992).

[5]

[6] [7]

Projet national SOLCYP. – Recommandations pour le dimensionnement des pieux sous chargements cycliques, ISTE Editions, Février 2017. REIFFSTECK (P.), LOSSY (D.) et BENOÎT (J.). – Forages, sondages et essais in-situ géotechniques, Presses des Ponts (2012). SIEFFERT (J.G.) et CEVAER (F.). – Manuel des fonctions d’impédance, Ouest Editions, Presses Académiques (1992).

À lire également dans nos bases BENOIT (O.). – Fondations superficielles. [C 246], (2020).

QUIRIN (L.) et MULLER (S.). – Eurocode 8 : fondations superficielles et profondes. [C 250], (2020).

DELEFOSSE (J.). – Pathologies des fondations. [C 7 301], (2020).

FRANK (R.), CUIRA (F.) et BURLON (S.). – Fondations profondes. [C 248], (2019).

Sites Internet Site Internet de la Fédération de l’Energie Eolienne (FEE) https://fee.asso.fr/ https://fee.asso.fr/pub/observatoire-de-leolien-2019/ Sites Internet d’informations géologiques, hydrogéologiques et sur les risques naturels http://infoterre.brgm.fr/

https://ades.eaufrance.fr/ https://www.georisques.gouv.fr/ https://www.georisques.gouv.fr/dossiers/cavites-souterraines#/ Site Internet du projet FUI FEDRE https://geomas.insa-lyon.fr/fr/content/lancement-projet-fui-fedre

Normes et standards Norme NF EN 61 400-1

(3e édition)

« Éoliennes – Partie 1 : exigences de conception »

Norme NF P 94 500

de novembre 2013 « Missions d’ingénierie géotechnique – Classification et spécifications »,

Eurocode 7 (NF EN 1997)

de juin 2005

Eurocode 8 (NF EN 1998)

« Calcul géotechnique – Partie 1 : règles générales »

Norme NF P 94 261

de juin 2013

Fondations superficielles,

Norme NF P 94 262

de juillet 2012

Fondations profondes,

Norme NF P 94-117-1

d’avril 2000

Portance des plates-formes – Partie 1 : module sous chargement statique à la plaque (EV2)

Norme NF P94-093

d’octobre 2014

« Détermination des références de compactage d’un matériau – Essai Proctor Normal – Essai Proctor modifié »

Calcul des structures pour leur résistance aux séismes

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