posté par bentafat_rachid

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

Publié à l'origine en juin 1977.

J. J. Hamilton

Les sols d'argile qui changent de volume constituent, au Canada et

aux Etats-Unis, le risque naturel le plus coûteux pour les bâtiments

construits sur des fondations peu profondes.1 Dans les

seules provinces des Prairies, un million de Canadiens ou plus vivent

dans des agglomérations construites sur des sols ayant un potentiel

d'expansion très élevé. Dans les régions côtières et dans celles de

l'est même de plus grandes populations vivent dans des agglomérations

construites sur des argiles ayant un potentiel hautement rétractable.

L 'article

traite de la nature des sols sujets à des gonflements et des retraits

et donnait des exemples de problèmes pour les fondations peu profondes.

Le présent bulletin contient des notions et des détails nouveaux qui

résultent d'une étude continue de la question et traite du choix de

fondations appropriées.

posté par bentafat_rachid

Reconnaissance des sols pouvant présenter des risques

Au Canada, les dépôts argileux pouvant causer des problèmes peuvent

être classés en deux groupes principaux: les argiles rétractables et

les argiles gonflables. Les dépôts rétractables, que l'on trouve à une

échelle extensive dans les vallées du Saint-Laurent et de l'Outaouais,

ont habituellement été formés dans de l'eau de mer ou saumâtre, ils ont

une teneur naturelle en eau très forte et contiennent peu ou pas de

minéraux argileux gonflables. Ils ont peu tendance à gonfler sous

l'effet d'une contrainte réduite et en présence d'eau librement

disponible, à moins qu'ils n'aient été séchés auparavant et n'aient

subi une réduction de volume de l'ordre de 50 pour cent au-dessous des

conditions de sédimentation. Les problèmes de fondations peu profondes

causés par ces argiles se limitent presque exclusivement aux tassements

de retrait dus à l'influence desséchante des racines d'arbres

posté par bentafat_rachid

Les sols argileux qui gonflent se rencontrent habituellement dans les

dépôts lacustres du centre et de l'ouest du Canada. A cause de leur

minéralogie de montmorillionite et d'une teneur en humidité moins

forte, lorsque les conditions ambiantes changent, habituellement ils se

gonflent ou exercent de fortes pressions sur les structures rigides;

mais ils peuvent également présenter un fort degré de réversibilité

retrait gonflement avec modifications de la teneur en humidité. La

reconnaissance des risques de problèmes de gonflement ou de retrait est

importante dans les premières phases de la planification de

l'utilisation des sols et est essentielle pour un bon choix du type de

fondations. On peut utiliser une classification (figure 1) basée sur la

fraction d'argile en pourcentage et l'indice de plasticité pour catégoriser le degré probable de sévérité.2

Un sol ayant une teneur en argile supérieure à 25 pour cent et un

indice de plasticité supérieur à 30 pour cent est susceptible d'un très

grand risque de retrait ou de gonflement. Tout sol ayant une teneur en

argile et un indice de plasticité supérieurs à 10 pour cent peut subir

au moins un léger gonflement à un léger retrait lorsque les conditions

ambiantes changent.

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

posté par bentafat_rachid

Choix du type de fondations

La majorité des fondations des petites structures sont choisies pour

satisfaire les exigences minimales des règlements ou des normes de

construction imposés par les pouvoirs publics ou les organismes de

financement. Bien que cela permette d'obtenir une solidité suffisante

de la structure et une rentabilité immédiate, les coûts basés sur la

durée de vie de même que le rendement des fondations peu profondes

creusées dans des dépôts profonds de sols en argile instable sont

souvent médiocres.

La stabilité d'une fondation est fonction des couches sous-jacentes

du sol jusqu'à des profondeurs supérieures au double de la largeur de

la structure . La profondeur à laquelle le sol peut encore

changer de volume (retrait ou gonflement) et le degré de réaction des

couches de sol jusqu'à cette profondeur sont d'une importance

primordiale pour le choix du type approprié de fondations. La

profondeur de l'action du gel est également importante pour les

structures qui n'ont pas de pertes de chaleur appréciables pour le sol .

Jusqu'à ce jour les normes et codes du bâtiment ont beaucoup plus

insisté sur la profondeur de l'action du gel que sur la profondeur de

la 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 façon

sensible par la présence de la structure, ses équipements, son

aménagement paysager et ses bâtiments voisins. La zone active peut être

représentée par un environnement dynamique tridimensionnel influencé

par des forces imposées par l'intérieur et par l'extérieur. Les effets

des changements cycliques ou à long terme sur la teneur en humidité, la

température et la chimie se combinent souvent aux contraintes et aux

sollicitations auxquelles le sol est soumis. Le temps, la végétation et

les variations climatiques sont des facteurs naturels importants qui

modifient la portée et l'activité à l'intérieur de cette zone. Par

exemple, la figure 2 montre la différence entre les effets de

l'enracinement de profondeur uniforme typique des pâturages et des

forêts denses et la profondeur irrégulière de la zone active typique

des parcs où les arbres sont très espacés.

Figure 2. Configurations de la zone active pour différents types et

densités de végétation sur un dépôt d'argile profond avec nappe

souterraine profonde.

posté par bentafat_rachid

Dans le développement urbain, la construction et l'aménagement

paysager ont souvent des conséquences importantes sur l'environnement

naturel (figure 3). Une excavation de 5 ou 6 pi pour un sous-sol de

maison se traduit par un déchargement net du sol car le poids de la

terre enlevée correspond habituellement à plusieurs fois celui de la

maison terminée. Ce déchargement entraîne un gonflement non uniforme du

sol et un soulèvement différentiel des fondations superficielles.

Réciproquement, le poids d'un remblai relativement bas peut être bien

plus important que celui du bâtiment construit au-dessus. La chaleur

rentre et sort d'un bâtiment, et le drainage du sous-sol et

l'irrigation de surface peuvent causer des changements marqués dans la

teneur en humidité, le volume ou les contraintes dans un sol.

L'asphaltage, l'aménagement paysager et l'irrigation de parties

importantes du terrain peuvent aussi avoir une grande influence sur les

dépôts d'argile profonds.

Figure 3. Configurations de la zone active pour différentes

influences structurales telles que: réduction de contrainte -,

augmentation de contrainte +, et flux de chaleur .

posté par bentafat_rachid

Conception des fondations

Il y a essentiellement deux méthodes de conception des fondations

pour les sols sujets à des gonflements ou à des retraits. Les semelles

superficielles étendues (figure 4) et les dalles sur terre-plein sont

les plus courantes dans la pratique traditionnelle. Les fondations

profondes, qui ont une capacité portante en sol stable au-dessous de la

zone active (figure 5), sont fréquemment retenues lorsqu'une analyse de

conception 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 construite

sur un dépôt profond de sous-sol gonflable, avec effets de la

croissance des arbres.

Les fondations superficielles peuvent subir d'importants mouvements

absolus (totaux) et différentiels des sols présentant un risque de

gonflement ou de retrait allant de modéré à fort. Les distorsions

atteignent rarement des proportions dommageables une année ou plus

après la construction, mais elles continuent à s'amplifier et à causer

des problèmes d'entretien pendant toute la durée de vie de la

structure. Lorsque la tolérance à la distorsion d'une structure a été

dépassée, les problèmes d'entretien réduisent souvent sa durée de

service.

Les fondations profondes peuvent éliminer complètement les

mouvements absolus et différentiels au sein de la structure principale.

Toutefois, pour des profondeurs égales de sous-sols, l'influence du

déchargement net de l'excavation jusqu'au niveau du sous-sol peut être

plus importante qu'avec des fondations superficielles. Ceci, parce que

le poids de la superstructure est transmis à de grandes profondeurs au

lieu d'avoir tendance à compenser le poids de sol excavé. Il n'est donc

pas rare que les composants supportés par le sol tels que les dalles de

sous-sol et les tuyauteries et équipements enterrés au niveau du sol ou

à proximité (par exemple les allées, trottoirs, conduites de services

et perrons) subissent des mouvements différentiels accentués par

rapport à la structure principale. Les éléments de charpente en portée

libre au-dessus de vides drainés et de vides sanitaires, les

transitions structurales ou en remblai stable entre la structure

principale et les sols naturels qui l'entourent, et les connexions

flexibles pour les conduits exigent tous une conception très complexe

et une construction contrôlée avec soin pour assurer une bonne

performance 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 profondes

sont directement reliés à l'emplacement et à l'activité des racines

d'arbres. En période de sécheresse, les arbres à racines profondes ont

causé des mouvements différentiels sévères, de l'ordre de plusieurs

pouces durant une seule saison de croissance3,4; 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 en

argile présentent souvent des problèmes à long terme lorsqu'ils sont

utilisés comme remblai. Leur consistance en mottes et leur nature

cohérente résultant de techniques d'excavation courantes rend

difficile, sinon économiquement et pratiquement impossible, leur

recompactage à une teneur en humidité et une densité uniformes qui

assurera un tassement futur minimum, un gonflement possible minimum ou

des poussées latérales des terres minimales. Au-delà des problèmes

évidents de tassements superficiels importants et prolongés, les

remblais d'argile exigent des ouvrages de retenue singulièrement plus

forts, comme des murs de fondation, pour supporter les pressions

horizontales des terres plus importantes que celles qui sont exercées

par des remblais non argileux.

Dales sur terre-plein. Bien que dernièrement beaucoup de

progrès aient été accomplis dans le développement de méthodes de

conception pour assurer une rigidité de la dalle suffisante afin de

réduire au minimum les distorsions préjudiciables, nul ne peut assurer

que ces dalles n'auront pas à subir une inclinaison excessive lorsqu'il

se produira des changements non uniformes du volume du sol. Des couches

épaisses de sols non argileux recouvrant des dépôts d'argile peuvent

réduire les mouvements différentiels de dalles ou de semelles placées

au-dessus. Malheureusement, à Ottawa et Winnipeg, les racines des

arbres ont parfois pénétré les couches profondes de sorte que le

retrait dû au séchage qui en résulte a causé des dommages aux

fondations et aux structures situées plus haut.

Semelles étendues. L'avantage de placer des semelles étalées

aussi profondément que possible pour réduire au minimum les dangers de

la végétation à racines profondes est contre-carré par l'avantage de

maintenir les excavations de sous-sol aussi peu profondes que possible

pour réduire au minimum l'effet de déchargement-soulèvement. Si on peut

prévoir que les réactions à un nouvel environnement seront

exclusivement le retrait ou le gonflement, on peut facilement choisir

la profondeur la plus souhaitable pour une semelle étalée et un sol de

sous-sol. On a utilisé avec succès des fondations flottantes incorporant des dalles de béton épaisses fortement renforcées pour

maintenir les distorsions de la superstructure à des niveaux acceptables

Pieux profonds ou fondations sur pieux. Si l'on fait

suffisamment attention pour isoler les coiffes de pieux, les poutres et

autres éléments porteurs du sol par des vides adéquats ou des vides

sanitaires, les pieux profonds ou les fondations sur pieux sont très

efficaces pour les sols présentant un risque élevé de gonflement ou de

retrait. Bien qu'apparemment simples de conception et de construction,

leur bon potentiel de rendement peut être réduit à néant si l'on

n'accorde pas une attention toute particulière à des détails tels que

le drainage effectif et le contrôle de l'humidité dans tous les vides

et vides sanitaires et les raccords flexibles pour la plomberie et les

autres équipements supportés par le sol.

posté par bentafat_rachid

Conclusions

Grâce aux connaissances et aux notions maintenant disponibles

concernant le gonflement et le retrait des sols, il y a plusieurs

solutions de remplacement efficaces aux fondations traditionnelles.

Dans la plupart des grandes villes, les experts géotechniciens

contribuent aux procédés de développement qui aboutissent à des

solutions économiques. Les autorités responsables de la planification

et de la construction devraient exiger des rapports sur les risques

géotechniques dans les soumissions d'approbation de subdivisions ou de

plans de développement; et ces rapports devraient contenir une

évaluation des risques pour les différents ouvrages et des

recommandations sur les pratiques de conception et de construction les

plus appropriées pour assurer un rendement économique à long terme.

Références

1. Jones, D. E. Jr. et W. G. Holtz. Expansive Soils - the Hidden Disaster. ASCE, Civil Engineering, August 1973, p. 49-51.

2. Williams, A. A. B. Discussion of the Prediction of Total Heave from

Double Oedometer Test by J. E. B. Jennings and K. Knight. Transactions,

South African Institution of Civil Engineers, Vol. 8, No. 6, 1958.

3. Bozozuk, M. et K. N. Burn. Vertical Ground Movements Near Elm Trees. Géotechnique, Vol. X, No. 1, March 1960, p. 19-32.

4. Burn, K. N. House Settlements and Trees. Proceedings, National

Conference on Urban Engineering Terrain Problems, May 1973, Associate

Committee on Geotechnical Research, National Research Council of

Canada, Division of Building Research, NRCC 13979.

5. Bozozuk, M. Soil Shrinkage Damages Shallow Foundation at Ottawa. Engineering Journal, Vol. 45, No. 7, July 1962, p. 33-37.