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Fondations dans les sols sujets à des gonflements ou à des retraits

Les sols d'argile qui changent de volume constituent, au Canada etaux États-Unis, le risque naturel le plus coûteux pour les bâtimentsconstruits sur des fondations peu profondes.¹ Dans lesseules provinces des Prairies, un million de Canadiens ou plus viventdans des agglomérations construites sur des sols ayant un potentield'expansion très élevé. Dans les régions côtières et dans celles del'est même de plus grandes populations vivent dans des agglomérationsconstruites sur des argiles ayant un potentiel hautement rétractable.Le présent bulletin contient des notions et des détails nouveaux quirésultent d'une étude continue de la question et traite du choix defondations appropriées.

Reconnaissance des sols pouvant présenter des risques

Au Canada, les dépôts argileux pouvant causer des problèmes peuventêtre classés en deux groupes principaux: les argiles rétractables etles argiles gonflables. Les dépôts rétractables, que l'on trouve à uneéchelle extensive dans les vallées du Saint-Laurent et de l'Outaouais,ont habituellement été formés dans de l'eau de mer ou saumâtre, ils ontune teneur naturelle en eau très forte et contiennent peu ou pas deminéraux argileux gonflables. Ils ont peu tendance à gonfler sousl'effet d'une contrainte réduite et en présence d'eau librementdisponible, à moins qu'ils n'aient été séchés auparavant et n'aientsubi une réduction de volume de l'ordre de 50 pour cent au-dessous desconditions de sédimentation. Les problèmes de fondations peu profondescausés par ces argiles se limitent presque exclusivement aux tassementsde retrait dus à l'influence desséchante des racines d'arbres .

Les sols argileux qui gonflent se rencontrent habituellement dansles dépôts lacustres du centre et de l'ouest du Canada. A cause de leurminéralogie de montmorillionite et d'une teneur en humidité moinsforte, lorsque les conditions ambiantes changent, habituellement ils segonflent ou exercent de fortes pressions sur les structures rigides;mais ils peuvent également présenter un fort degré de réversibilitéretrait gonflement avec modifications de la teneur en humidité. Lareconnaissance des risques de problèmes de gonflement ou de retrait estimportante dans les premières phases de la planification del'utilisation des sols et est essentielle pour un bon choix du type defondations. On peut utiliser une classification (figure 1) basée sur lafraction d'argile en pourcentage et l'indice de plasticité pour catégoriser le degré probable de sévérité.²Un sol ayant une teneur en argile supérieure à 25 pour cent et unindice de plasticité supérieur à 30 pour cent est susceptible d'un trèsgrand risque de retrait ou de gonflement. Tout sol ayant une teneur enargile et un indice de plasticité supérieurs à 10 pour cent peut subirau moins un léger gonflement à un léger retrait lorsque les conditionsambiantes changent.

Figure 1. Importance des dommages dus au changement de volume des sols argileux (D'Après Williams (2)).

Choix du type de fondations

La majorité des fondations des petites structures sont choisies poursatisfaire les exigences minimales des règlements ou des normes deconstruction imposés par les pouvoirs publics ou les organismes definancement. Bien que cela permette d'obtenir une solidité suffisantede la structure et une rentabilité immédiate, les coûts basés sur ladurée de vie de même que le rendement des fondations peu profondescreusées dans des dépôts profonds de sols en argile instable sontsouvent médiocres.

La stabilité d'une fondation est fonction des couches sous-jacentesdu sol jusqu'à des profondeurs supérieures au double de la largeur dela structure . La profondeur à laquelle le sol peut encorechanger de volume (retrait ou gonflement) et le degré de réaction descouches de sol jusqu'à cette profondeur sont d'une importanceprimordiale pour le choix du type approprié de fondations. Laprofondeur de l'action du gel est également importante pour lesstructures qui n'ont pas de pertes de chaleur appréciables pour le sol .Jusqu'à ce jour les normes et codes du bâtiment ont beaucoup plusinsisté sur la profondeur de l'action du gel que sur la profondeur dela zone active des sols argileux gonflables ou rétractables.

Zone active

La zone active est le terme proposé pour décrire la masse de sol(au-dessous et autour d'une structure) qui sera modifiée de façonsensible par la présence de la structure, ses équipements, sonaménagement paysager et ses bâtiments voisins. La zone active peut êtrereprésentée par un environnement dynamique tridimensionnel influencépar des forces imposées par l'intérieur et par l'extérieur. Les effetsdes changements cycliques ou à long terme sur la teneur en humidité, latempérature et la chimie se combinent souvent aux contraintes et auxsollicitations auxquelles le sol est soumis. Le temps, la végétation etles variations climatiques sont des facteurs naturels importants quimodifient la portée et l'activité à l'intérieur de cette zone. Parexemple, la figure 2 montre la différence entre les effets del'enracinement de profondeur uniforme typique des pâturages et desforêts denses et la profondeur irrégulière de la zone active typiquedes parcs où les arbres sont très espacés.

Figure 2. Configurations de la zone active pour différents types etdensités de végétation sur un dépôt d'argile profond avec nappesouterraine profonde.

Dans le développement urbain, la construction et l'aménagementpaysager ont souvent des conséquences importantes sur l'environnementnaturel (figure 3). Une excavation de 5 ou 6 pi pour un sous-sol demaison se traduit par un déchargement net du sol car le poids de laterre enlevée correspond habituellement à plusieurs fois celui de lamaison terminée. Ce déchargement entraîne un gonflement non uniforme dusol et un soulèvement différentiel des fondations superficielles.Réciproquement, le poids d'un remblai relativement bas peut être bienplus important que celui du bâtiment construit au-dessus. La chaleurrentre et sort d'un bâtiment, et le drainage du sous-sol etl'irrigation de surface peuvent causer des changements marqués dans lateneur en humidité, le volume ou les contraintes dans un sol.L'asphaltage, l'aménagement paysager et l'irrigation de partiesimportantes du terrain peuvent aussi avoir une grande influence sur lesdépôts d'argile profonds.

Figure 3. Configurations de la zone active pour différentesinfluences structurales telles que: réduction de contrainte -,augmentation de contrainte +, et flux de chaleur .

Conception des fondations

Il y a essentiellement deux méthodes de conception des fondationspour les sols sujets à des gonflements ou à des retraits. Les semellessuperficielles étendues (figure 4) et les dalles sur terre-plein sontles plus courantes dans la pratique traditionnelle. Les fondationsprofondes, qui ont une capacité portante en sol stable au-dessous de lazone active (figure 5), sont fréquemment retenues lorsqu'une analyse deconception est effectuée par des experts géotechniciens.

Figure 4. Rendement à court terme typique d'une fondation peu profonde construite sur un dépôt profond de sous-sol gonflable.

Figure 5. Rendement à long terme typique d'une fondation construitesur un dépôt profond de sous-sol gonflable, avec effets de lacroissance des arbres.

Les fondations superficielles peuvent subir d'importants mouvementsabsolus (totaux) et différentiels des sols présentant un risque degonflement ou de retrait allant de modéré à fort. Les distorsionsatteignent rarement des proportions dommageables une année ou plusaprès la construction, mais elles continuent à s'amplifier et à causerdes problèmes d'entretien pendant toute la durée de vie de lastructure. Lorsque la tolérance à la distorsion d'une structure a étédépassée, les problèmes d'entretien réduisent souvent sa durée deservice.

Les fondations profondes peuvent éliminer complètement lesmouvements absolus et différentiels au sein de la structure principale.Toutefois, pour des profondeurs égales de sous-sols, l'influence dudéchargement net de l'excavation jusqu'au niveau du sous-sol peut êtreplus importante qu'avec des fondations superficielles. Ceci, parce quele poids de la superstructure est transmis à de grandes profondeurs aulieu d'avoir tendance à compenser le poids de sol excavé. Il n'est doncpas rare que les composants supportés par le sol tels que les dalles desous-sol et les tuyauteries et équipements enterrés au niveau du sol ouà proximité (par exemple les allées, trottoirs, conduites de serviceset perrons) subissent des mouvements différentiels accentués parrapport à la structure principale. Les éléments de charpente en portéelibre au-dessus de vides drainés et de vides sanitaires, lestransitions structurales ou en remblai stable entre la structureprincipale et les sols naturels qui l'entourent, et les connexionsflexibles pour les conduits exigent tous une conception très complexeet une construction contrôlée avec soin pour assurer une bonneperformance à long terme.

Sur les sols ayant un potentiel de retrait de modéré à fort,l'importance et le taux des mouvements des fondations peu profondessont directement reliés à l'emplacement et à l'activité des racinesd'arbres. En période de sécheresse, les arbres à racines profondes ontcausé des mouvements différentiels sévères, de l'ordre de plusieurspouces durant une seule saison de croissance^3,4; et sur de longues périodes, les mouvements différentiels cumulatifs à l'intérieur d'une seule habitation ont dépassé un pied.⁵

Sols d'argile utilisés comme remblai. Les sols riches enargile présentent souvent des problèmes à long terme lorsqu'ils sontutilisés comme remblai. Leur consistance en mottes et leur naturecohérente résultant de techniques d'excavation courantes renddifficile, sinon économiquement et pratiquement impossible, leurrecompactage à une teneur en humidité et une densité uniformes quiassurera un tassement futur minimum, un gonflement possible minimum oudes poussées latérales des terres minimales. Au-delà des problèmesévidents de tassements superficiels importants et prolongés, lesremblais d'argile exigent des ouvrages de retenue singulièrement plusforts, comme des murs de fondation, pour supporter les pressionshorizontales des terres plus importantes que celles qui sont exercéespar des remblais non argileux.

Dales sur terre-plein. Bien que dernièrement beaucoup deprogrès aient été accomplis dans le développement de méthodes deconception pour assurer une rigidité de la dalle suffisante afin deréduire au minimum les distorsions préjudiciables, nul ne peut assurerque ces dalles n'auront pas à subir une inclinaison excessive lorsqu'ilse produira des changements non uniformes du volume du sol. Des couchesépaisses de sols non argileux recouvrant des dépôts d'argile peuventréduire les mouvements différentiels de dalles ou de semelles placéesau-dessus. Malheureusement, à Ottawa et Winnipeg, les racines desarbres ont parfois pénétré les couches profondes de sorte que leretrait dû au séchage qui en résulte a causé des dommages auxfondations et aux structures situées plus haut.

Semelles étendues. L'avantage de placer des semelles étaléesaussi profondément que possible pour réduire au minimum les dangers dela végétation à racines profondes est contre-carré par l'avantage demaintenir les excavations de sous-sol aussi peu profondes que possiblepour réduire au minimum l'effet de déchargement-soulèvement. Si on peutprévoir que les réactions à un nouvel environnement serontexclusivement le retrait ou le gonflement, on peut facilement choisirla profondeur la plus souhaitable pour une semelle étalée et un sol desous-sol. On a utilisé avec succès des fondations flottantes incorporant des dalles de béton épaisses fortement renforcées pourmaintenir les distorsions de la superstructure à des niveauxacceptables.

Pieux profonds ou fondations sur pieux. Si l'on faitsuffisamment attention pour isoler les coiffes de pieux, les poutres etautres éléments porteurs du sol par des vides adéquats ou des videssanitaires, les pieux profonds ou les fondations sur pieux sont trèsefficaces pour les sols présentant un risque élevé de gonflement ou deretrait. Bien qu'apparemment simples de conception et de construction,leur bon potentiel de rendement peut être réduit à néant si l'onn'accorde pas une attention toute particulière à des détails tels quele drainage effectif et le contrôle de l'humidité dans tous les videset vides sanitaires et les raccords flexibles pour la plomberie et lesautres équipements supportés par le sol.

Conclusions

Grâce aux connaissances et aux notions maintenant disponiblesconcernant le gonflement et le retrait des sols, il y a plusieurssolutions de remplacement efficaces aux fondations traditionnelles.Dans la plupart des grandes villes, les experts géotechnicienscontribuent aux procédés de développement qui aboutissent à dessolutions économiques. Les autorités responsables de la planificationet de la construction devraient exiger des rapports sur les risquesgéotechniques dans les soumissions d'approbation de subdivisions ou deplans de développement; et ces rapports devraient contenir uneévaluation des risques pour les différents ouvrages et desrecommandations sur les pratiques de conception et de construction lesplus appropriées pour assurer un rendement économique à long terme.

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