Les Pieux Sous-Charge Axiale Ou Latérale [PDF]

Zitiervorschau

Conservatoire National des Arts et des Métiers Centre régional – Liban Département Génie Civil

Rapport de l’information et communication pour l’ingénieur ENG222

LES PIEUX SOUS-CHARGE AXIALE OU LATÉRALE Abdo Ghassibeh 547n

ANNEE UNIVERSITAIRE 2016-2017 SEPTEMBRE 2017

Les pieux sous charge axiale ou latérale

Abdo Ghassibeh

Sommaire Liste des figures ...............................................................................................................................2 Liste des tableaux .............................................................................................................................3 Introduction ......................................................................................................................................4 Chapitre 1: Généralités sur les pieux de fondations.........................................................................5 I - Définitions ..........................................................................................................................5 II- Différents types de fondations ...........................................................................................7 III- Exécution ........................................................................................................................10 Chapitre 2: Les pieux sous charge verticale .................................................................................12 I – Essai au laboratoire .........................................................................................................12 II- Effet de groupe de pieux .................................................................................................15 III- Essais sur chantier .........................................................................................................16 IV – Tassement d’un pieu isolé ...........................................................................................18 V- Tassement d’un groupe de pieux ....................................................................................19 Chapitre 3: Les pieux sous charge latérale horizontale ................................................................21 Chapitre 4: Les facteurs influençant le bon choix de pieux .........................................................24 Chapitre 5: Tête du pieu ...............................................................................................................25 Chapitre 6: Exemples de calcul ....................................................................................................27 Conclusion ...................................................................................................................................33 Bibliographie ................................................................................................................................34

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Abdo Ghassibeh

Liste des figures Figure1: Évaluation de la résistance de pointe en fonction d’enfoncement du pieu Figure 2: Différents composantes d’un pieu de fondation Figure 3: Classification suivant la transmission des charges au sol et le mode de travail du pieu Figure 4: Pieux préfabriqués Figure 5: Pieux en bois Figure 6: Pieux en aciers Figure 7: Les micro-pieux Figure 8: Procédé avec emploi de fluide de forage sans tubage provisoire Figure 9 : Procédé avec tubage provisoire et bétonnage sous l’eau Figure 10 : Les frottements sur un pieu Figure 11 : Le frottement latéral négatif sur pieu Figure 12 : Coupe schématique d’un scissomètre Figure 13 : Valeur des résistances de pointe et du frottement Figure 14 : Pieu mobilisant la réaction latérale du sol Figure 15 : Plate-forme reposé sur des pieu Figure 16 : Recépage de la tète du pieu en béton Figure 17 : Semelle sur pieu Figure 18 : Armatures dans la semelle

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Liste des tableaux Tableau 1 : Valeur du coefficient K.tan δ Tableau 2 : Valeurs du nh pour les sols sans cohésion Tableau 3 : Bon choix du pieu selon le type su sol

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Introduction: Depuis le premier siècle avant J.C., l’homme commençait à utiliser des fondations profondes vu des aspects rencontrés dans les bâtiments comme des fissurations remarquables. Cependant, les fondations superficielles ont exposé des problèmes de tassements différentiels dus à un sol médiocre par rapport à la charge de l’ouvrage. Une des solutions envisagées était l’exécution des pieux de fondations. Les pieux de fondations se distinguent par plusieurs types:   

Pieux en bois Pieux en acier Pieux en béton, préfabriqués ou moulés

Tout d’abord, les pieux étaient des pièces en bois fichées dans le sol. Aujourd’hui, avec les nouvelles technologies de matériaux, il est possible de ficher en terre des pieux en acier ou même en béton. Les pieux en bois existent encore, mais les pieux en acier s’utilisent plus fréquemment vu leur utilisation favorable ainsi pour les pieux en béton. Les pieux de fondation sont exécutés dans plusieurs cas. Principalement, des grands ouvrages tels les gratte-ciels, des ouvrages maritimes et des sols médiocres de fondations. Le but de ce projet est traité des pieux de fondations soumis à une charge axiale ou latérale. Ce rapport comporte six chapitres:  Le premier chapitre sera consacré aux différents types de pieux : leurs avantages et leurs inconvénients  Le deuxième chapitre traitera les pieux sous charge axiale, et leurs tassements  Le troisième chapitre sera dédié à l’effet de la charge latérale horizontale sur les pieux  Le quatrième chapitre comportera les facteurs primordiaux dans le choix du type de pieux  Le cinquième chapitre donnera des notions à propos de la tête du pieu  Le sixième présentera des exemples de calcul

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Chapitre 1: Généralités sur les pieux de fondations I.

Définitions:

Lorsque le terrain superficiel n’a pas de caractéristiques suffisantes pour pouvoir supporter les charges qui lui sont transmises, on essaye d’atteindre le bon sol indirectement par l’intermédiaire de fondations appelées fondations profondes. Ce type de fondations transmet les charges apportées par l’ouvrage directement au bon sol. Dans ce cas, le sol de fondation n’est pas accessible directement et donc on ne peut pas le voir. Les pieux de fondation sont des pièces longues cylindriques qui sont enfoncées ou coulées dans le sol. Ces pièces peuvent être soumises à des efforts de compression, de traction, ou de flexion. Les charges que le pieu supporte vont générer un effort de compression normal, la résistance va se faire par l’addition de deux termes :  Un terme de résistance par ce qu’on appelle effet de pointe au contact de la couche de terrain dur.  Un terme de frottement latéral sur la surface périphérique du pieu au contact avec le terrain. Dans ce cas, le pieu va travailler à la compression sous charge axial. Lorsqu’ils travaillent à la traction et qu’ils sont donc soumis à un effort de traction, ils vont transmettre au sol des efforts de traction, ils résistent uniquement par le terme de frottement latéral. Quelques fois, les pieux peuvent travailler à la flexion, par exemple : ils peuvent être soumis à des poussées latérales et donc transmettre au sol des efforts de flexion.

Figure1 : Évaluation de la résistance de pointe en fonction d’enfoncement du pieu

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

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On appelle pieux de fondation quand le rapport L/B ≥ 10

B : Diamètre du pieu. L : Longueur de fondation enterrée dans le sol. D : L'ancrage du pieu dans le sol résistant. St : Le tassement du pieu après chargement concernant le frottement latéral. Sp : Le tassement du pieu après chargement concernant l’effort de pointe. 

Les 3 parties d’un pieu :

 Tête du pieu  Fut du pieu  Pointe du pieu

Figure 2 : Différents composantes d’un pieu de fondation 

Classification des pieux selon le mode de fonctionnement :

 Pieux à effet de la pointe : Ces pieux transmettent les charges sur le bon sol par l’intermédiaire de ses pointes (Selon Qp)  Pieux flottants : Ils transmettent les charges par frottement latéral et ne reposent pas sur le bon sol (Selon Qs), il est utilisé quand le sol résistant est accessible à une certaine profondeur  Pieux à effet de la pointe et frottement latérale : Pieux à effet mixte

Figure 3 : Classification suivant la transmission des charges au sol et le mode de travail du pieu 6

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II.

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Différent types des pieux:

 Pieux en béton: Pieux préfabriqués: Ce sont des éléments en béton préfabriqué ou métallique. Ils sont mis en place par battage dans le sol sans procéder à une excavation ou à un forage préalable au sol. En général, leur diamètre est inférieur à 40cm. Leur utilisation a diminué peu à peu pour utiliser de plus en plus les pieux exécutés en place bien qu’ils posent en tous points autant, sinon plus, de problèmes que les premiers. Avantages:   

Qualité du béton. Ferraillage sur toute la hauteur possible. Connaissance précise de la capacité portante du pieu.

Inconvénients:   

Altitude approximative. Hauteurs limitées (risque de flambement du pieu lors de l’enfoncement) L’enfoncement du pieu peut l'abîmer.

Figure 4 : Pieux préfabriqués

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Pieux moulés ou forés: Lorsque les charges devant être transmises par les pieux augmentent, il faut augmenter la section des pieux. Il n'est plus possible d'utiliser des éléments préfabriqués qui sont trop lourds à manipuler. On a alors recours à la réalisation en place d'un forage jusqu'à la profondeur voulue, puis on vient remplir ce forage de béton armé, ce qui deviendra un pieu foré ou moulé. -

Pieux forés: diamètre inférieur à 80cm, mieux pour les zones sismiques vu leur ductilité. Puits forés: diamètre supérieur ou égal à 80cm, très rigides, résistent au frottement plus que les pieux car ils sont de surfaces plus grandes. Dans le cas de pieux forés ou moulés, la longueur également n'est pas limitée.

Avantages:    

Hauteurs et dimensions importantes possibles ; Facile à réaliser ; Seul matériau possible pour les pieux moulés ; Durabilité (si l'on respecte l'enrobage) ;

Inconvénients:    

Qualité du béton (des particules du sol peuvent se mélanger à la composition du béton, ce qui le rendra de moins bonne qualité) ; Ferraillage sur toute la hauteur parfois impossible (selon la technique employée) ; Temps important d'attente avant de poursuivre la construction. Résistance à la flexion.

 Pieux en bois: En forme cylindrique, de diamètre Ø = l/30 jusqu'à l/40 et de longueur peut atteindre 20m. Ils résistent à sec et pourrissent en milieu humide.

Figure 5: Pieux en bois.

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 Pieux en acier: En forme de tube circulaire, leur diamètre varie de 20 à 100cm. Les profilés sont battus dans le sol, ils sont sensibles à la corrosion atmosphérique.

Figure 6: Pieux en aciers

 Micro-pieux: Ce sont des pieux de diamètre inférieur à 25cm. Le forage est, en général, équipé d’armatures et rempli d’un mortier ou d’un coulis de ciment par gravité, au moyen d’un tube plongeur ou par injection. Si la nature du sol le permet, des micro-pieux en béton façonnés à l’avance peuvent être mis en place par battage ou fonçage. Pour toutes ces techniques de fondations, lorsque le niveau d’agressivité du sol est inconnu, on privilège par précaution des ciments de caractéristiques complémentaires.

Figure 7: Les micropieux

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III.

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Exécution:

On va traiter le cas des pieux de fondation moulés: 

Procédé avec emploi de fluide de forage sans tubage provisoire:

Le procédé consiste à réaliser dans le sol une cavité d’un volume égal à celui du pieu qu’on veut construire. Cette cavité peut être limitée par un coffrage récupéré ou perdu. On remplit ensuite cette cavité avec du béton avec ou sans introduction préalable d’armatures. Le diamètre du pieu peut atteindre 1.5m. On doit prendre deux précautions avec ce genre de pieux : Éviter toute discontinuité ou étranglement du pieu ou gonflement. Pour éviter cela, on peut quelques fois tenir les parois de la cavité à l’aide d’un coffrage provisoire ou perdu. Assurer une mise en place convenable du béton même si le pieu est coulé dans l’eau. On réalise un forage avec une perforatrice qui a un mouvement de rotation et un mouvement vertical de battage. Les sédiments du forage vont être mis en suspension dans un fluide de forage, et le fluide de forage dont la densité est supérieure à 1, et dont la pression sur les parois est supérieure à la pression de l’eau, va former un film argileux sur les parois du forage. Ce film maintient le terrain en place. Les sédiments du forage vont remonter à la surface. On introduit éventuellement les armatures généralement sous forme de cage. Ensuite on introduit un tube plongeur qui va servir au bétonnage. Il est introduit jusqu’au fond du forage. On procède au bétonnage sous le fluide de forage comme le béton est plus lourd que le fluide de forage il va remplacer ce fluide qui remonte à la surface et qui est évacué. On retire le tube au fur et à mesure que le bétonnage se fait. A la fin le pieu est terminé.

Figure 8: Procédé avec emploi de fluide de forage sans tubage provisoire

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

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Procédé avec tubage provisoire et bétonnage sous l’eau:

On batte un tube généralement métallique dans le terrain. On extrait le terrain situé à l’intérieur de ce tube. On introduit éventuellement les armatures en général sous forme de cage. On introduit ensuite un tube plongeur qui sert à l’amenée du béton. Il est introduit jusqu’au final de la cavité. On procède au bétonnage en faisant attention à maintenir la base du tube de bétonnage dans le béton. Au fur et à mesure que le bétonnage se fait, on retire lentement le tube plongeur, puis en parallèle on retire le tube extérieur en faisant attention à maintenir le béton coffré sur une hauteur h=2Ø. Tube plongeur: diamètre 10 à 20cm.

Figure 9 : Procédé avec tubage provisoire et bétonnage sous l’eau.

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Chapitre 2: Les pieux sous-charges verticales I.

Méthode Statique:

Dans cette méthode très utilisée, les efforts résistants unitaires ne dépendent que des caractéristiques à la rupture du sol (C et φ), en effet : C : Cohésion, φ : angle de frottement, C’ et φ’, pour les sols grenus et frottant, Cu et φu, pour l’argile et les sols non frottant, Les pieux sous charge axiale, vont résister à partir du deux termes : - 1ere terme c’est l’effet du point. - 2eme terme c’est le frottement latéral influant à la surface des pieux périphériques.

Figure 10 : Les frottements sur un pieu



Résistance de pointe:

qp = C Nc + h γ Nq; q : Résistance de pointe (KN/m2) a) Cas des sols pulvérulents: (Exemple : Sable)

qp = ∑ hi x γi x Nq C = 0 (pas de cohésion), Nq varie beaucoup en fonction de φ b) Cas des sols cohérents: (Exemple : l’argile)

qp = qo + Cu x Nc qo = γ x D la contrainte éventuellement existant à la base du pieu, C = Cu (à court terme)

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

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Frottement latérale positive: a) Cas des sols pulvérulents :

qs = σ’h x tg (δ) δ= φ σ’h= k x σ’v K dépend de la compacité, ex : 0.5 pour un pieu foré. (Pour compacité faible ou forte) b) Cas des sols cohérents (Argile, Limon), le frottement latérale unitaires donnée par :

qs= β x Cu β= 

A-A’). Arrive ensuite un point où le tassement du sol est inférieur ou égal à l'enfoncement du pieu sous l'effet de la charge qu'il supporte. Le point situé à cette profondeur est appelé point neutre N.

Figure 11 : Frottement latéral négatif sur un pieu 13

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Le frottement négatif sur un élément isolé de fondation doit être calculé à partir de l’expression générale suivante: Qs2 =      

P est le périmètre de l’élément de fondation, (z) étant la contrainte effective verticale à une profondeur quelconque z et à proximité immédiate du fût du pieu, K(z) est le rapport entre la contrainte effective horizontale et σ’ (z), est un coefficient de frottement dont la valeur dépend de la nature du contact solparoi, étant l’angle de frottement du contact terrain-élément de fondation, h est la hauteur de l’élément de fondation sur laquelle agit le frottement négatif, h = min (h1 ; h2) h1 est la profondeur ou la contrainte de calcul (z) = (z), h2 c’est où le tassement (consolidation) restant à acquérir par le sol après exécution de la fondation, calculé sans tenir compte de celle.ci, devient égal à B/100.

Tableau 1 : Valeur du coefficient K.tan δ



Calcul de la charge limite:

QL= Qp + Qs Qp = qp x A Qs1 = ∑qsi x p x hi Qs = Qs1 – Qs2 A : Aire du pieux circulaire (m2) = D : Diamètre des pieux hi : hauteur de chaque couche, p : périmètre.

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

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Calcul de la charge de fluage :

Qc= 0.5 Qp + 0.7 Qs (pour les pieux forés) 

Calcul de la charge admissible(Qa1):

La charge admissible Qa1 du point de vue géotechnique dépend de la combinaison des charges et de l’état limite : à l’ELS: *Combinaison quasi-permanente: Qa1 = 0.7 Qc *Combinaison Rare: Qa1 = 0.9 Qc à l’ELU: *Combinaison fondamentale: Qa1 = 0.7 QL *Combinaison accidentelle: Qa1 = 0.8 QL 

Calcul de la charge admissible(Qa2) :

Vis-à-vis du matériel constituant le pieu est égal : Qa2 = 0.3 x Fc28 x Ap; avec Ap = π D2/4 Finalement Qa = min {Qa1 , Qa2}

II.

Effet de groupe de pieux :

La charge d’un groupe de pieux est donnée par la formule suivante: Qpieu isolé = Min { Qa1 ; Qa2 } Qgroupe = Ce * N * Qpieu isolé N = m.n Ce : Coefficient d’efficacité, Ce = 1 -

(2 -

-

m : nombre de ligne, n : nombre de colonne, B : diamètre du pieu, N : nombre des pieux, S : distance entre axe, 3B≤ S ≤8B et si S ≥ 8B donc il n’y a pas d’effet de groupe de pieux.

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III.

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Essais sur chantier :

 Le scissomètre: Le scissomètre est utilisé pour déterminer la cohésion non drainée pour les sols mous purement cohérents comme l’argile. L’appareil est constitué d’une tige munie à son extrémité de deux palettes verticales de même dimensions et perpendiculaires entre elles. L’essai consiste à enfoncer l’appareil par un vérin à la profondeur voulue, puis à appliquer un moment de torsion sur la tige. Un cisaillement cylindrique se produit dans le sol le long de la directrice du cylindre de rayon r0. Au cours de cet essai on suit l’évolution de l’angle de rotation en fonction du moment. Cet appareil est beaucoup utilisable car elle donne la valeur du Cu rapidement qui est en fonction de la contrainte de consolidation.

Figure 12 : Coupe schématique d’un scissomètre

 Pénétromètre Statique : L’essai au pénétromètre statique consiste à foncer verticalement dans le terrain, à vitesse lente et constante, un train de tiges terminé à sa base par une pointe conique généralement de même diamètre que les tiges. Par un procédé quelconque, mécanique, électrique ou hydraulique, on mesure suivant un pas de profondeur donné, la résistance de pointe statique et notée qc.

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Figure 13 : Valeurs des résistances de pointe et du frottement

Simultanément, on mesure l’effort opposé à l’enfoncement de l’ensemble pointe et tiges. Cet effort est appelé effort total et noté qt. Il comprend d’une part l’effort de pointe et d’autre part l’effort de frottement latéral, qui s’exerce sur toute la hauteur du train de tiges. Le pénétromètre statique a été développé initialement en Hollande, ou l’on trouve des formations meubles de sols fins de forte épaisseur pour l’étude desquelles ce type d’appareil est particulièrement bien adapté.

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Tassement d’un pieu isolé:

IV.

Tassement du pieu isolé à l’ELS: Se = Se1 + Se2 + Se3

Se1 = -

Se2 =

-

Se3 =

; Iwp : Facteur d’influence = 0.85

; Iwc = 2 + 0.35

facteur d’influence.

     

Se1 : Tassement élastique du pieu, Se2 : Tassement du pieu causé par la charge à la pointe du pieu, Se3 : Tassement du pieu causé par la charge au frottement du pieu avec le sol, = 0.5 à 0.67, selon le type du sol, Qwp : Charge portée à la pointe de pieu, Qws : Charge portée par résistance de frottement,



qwp : Point de charge par unité de surface au point du pieu =

      

Ap : Surface de la section transversale du pieu (m2), Ep : Module élastique du pieu, Es : Module élastique du sol, L:Longueur du pieu, B:Diamètre du pieu, p : périmètre du pieu isolé, υs : Coefficient du sol au point du pieu.

,

Calcul rapide:  Si la charge axiale (Qu) est plus petite que la charge du frottement latéral(Qs), on a que :

Qws = Qu, Qwp = 0  Si la charge axiale (Qu) est plus grande que la charge du frottement latéral(Qs), on a que Qws = Qu, Qwp = Qu – Qs

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Tassement d’un groupe de pieux:

V.

Le tassement d’un groupe de pieux dans l’argile peut être estimé plus facilement en utilisant l’approche proposée par Terzaghi et Peck. Cette méthode qui suggère de simplifier l’analyse en simulant une distribution sur semelle est sécuritaire mais aussi pénalisante. Terzaghi a mis des formules pour le tassement des pieux dans l’argile. Considérons une semelle fictive située au 1/3 de la hauteur de la base des pieux et qui résiste les efforts venants de la semelle en tête du pieu, on calcule le tassement de la semelle fictive pour une répartition des contraintes en profondeur à 1H pour 2V.

 Calcul du tassement de consolidation par discrétisation en sous couches « i »: σc : la plus grande contrainte effective supporté par le sol. Argile normalement consolidée:

Sci =

log

=

log

avec P0i

=

σc

Argile sur consolidée:

Sci =

log

avec P0i