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Le choix des dimensions de base correctes est essentiel pour assurer la stabilité et la sécurité de toute structure.Les ingénieurs s'appuient sur des critères de stabilité spécifiques pour déterminer la taille et la profondeur des fondations appropriées en fonction des propriétés du sol, des conditions de charge et des facteurs environnementaux.La fondation de toute structure est essentielle pour transférer les charges de la superstructure vers le sol, assurer la stabilité et aider à prévenir les problèmes structurels tels que le tassement, le renversement, le glissement ou le soulèvement.

Comprendre les critères de stabilité de la Fondation

Les critères de stabilité établissent et standardisent les exigences d'utilisation pour la conception et l'évaluation de divers types de structures en béton, où la « stabilité » s'applique à la stabilité globale externe, y compris le glissement, la rotation, la flottation et le roulement, et non aux défaillances internes de la stabilité.

Les trois principales préoccupations en matière de stabilité

L'analyse de stabilité de la fondation porte sur trois modes de défaillance critique qui doivent être évalués au cours du processus de conception :

Fonctionnement de la capacité de charge:La capacité de roulement est la capacité du sol à supporter les charges appliquées au sol, ce qui représente la pression de contact moyenne maximale entre la fondation et le sol qui ne devrait pas causer de rupture de cisaillement dans le sol. Lorsque la contrainte appliquée dépasse la capacité de roulement du sol, la fondation peut subir un tassement ou un effondrement soudain.

Filt de glissement: Le glissement est l'un des mécanismes fondamentaux qui régissent la stabilité des fondations pendant les événements sismiques et dans des conditions de charge latérale. Cela se produit lorsque les forces horizontales surmontent la résistance aux frottements entre la base de fondation et le sol support, ce qui provoque le déplacement latéral des fondations.

Renversement et rotation: Le renversement et le soulèvement représentent des mécanismes critiques qui régissent la stabilité de la fondation. Lorsque des moments agissant sur une fondation créent une rotation excessive, la fondation peut basculer ou se renverser, particulièrement sous une charge excentrique ou des forces latérales.

Approches modernes d'analyse de stabilité

Pour le glissement et le roulement, les exigences de stabilité ont été exprimées de façon déterministe en termes de facteur de sécurité explicite qui fixe le rapport minimal acceptable de résistance de fondation le long du plan de défaillance le plus critique par rapport aux charges de conception appliquées au plan de défaillance.

Les codes actuels de construction visent à fournir un cadre complet en utilisant l'une ou l'autre approche de conception, permettant aux ingénieurs de structure de réaliser des évaluations complètes de conception, y compris la stabilité structurelle, en utilisant la conception de la résistance ou la méthode de conception de contrainte admissible.

Capacité de roulement des sols : la fondation de la conception de la fondation

La capacité de roulement du sol est essentielle pour déterminer les dimensions de fondation en toute sécurité. La capacité de roulement influence directement les décisions relatives à la taille, au type et à la profondeur des fondations, assurant ainsi la sécurité et la stabilité des bâtiments et autres structures.

Types de capacité de roulement

Il existe deux principaux types de capacité portante du sol : la capacité portante ultime et la capacité portante admissible. La compréhension de la distinction entre ces valeurs est essentielle pour la conception sûre des fondations.

Capacité de roulement ultime: La capacité de roulement ultime est la valeur de la contrainte de roulement qui provoque un règlement catastrophique soudain de la fondation en raison de la rupture de cisaillement. La capacité de roulement ultime se rapporte à la pression maximale que le sol peut supporter avant la rupture, où les charges appliquées dépassent la capacité de support du sol. Ce maximum théorique représente la limite absolue de la résistance du sol.

Capacité de roulement admissible: La capacité de roulement admissible est la contrainte maximale de roulement qui peut être appliquée à la fondation de façon à être sûre contre l'instabilité en raison de la rupture du cisaillement et la capacité de peuplement maximale tolérable n'est pas dépassée. La capacité de roulement admissible du sol est la quantité de charge que le sol peut supporter sans subir de défaillance de cisaillement ou de dépassement de la quantité de peuplement admissible, et c'est la figure qui est utilisée dans la conception des fondations.

Capacité de roulement ultime nette:[ Ceci est calculé en soustrayant le poids du sol multiplié par la profondeur de fondation de la capacité de roulement ultime, en utilisant la formule qnu = qu - γDf.

Capacité de roulement nette sécuritaire:[ La capacité nette sûre est la capacité de roulement nette ultime divisée par un facteur de sécurité, généralement 3, et le facteur peut être augmenté pour limiter davantage les règlements si nécessaire.

Facteurs influant sur la capacité de roulement du sol

La capacité de roulement dépend principalement du type de sol, de sa résistance au cisaillement et de sa densité, et elle dépend également de la profondeur de l'encastrement de la charge – plus elle est fondée, plus la capacité de roulement est grande.

  • Type et composition du sol: Différents types de sol présentent des capacités portantes très différentes, allant de sols organiques faibles à des roches-sols solides.
  • Densité et Compactation du sol:[ Les sols densers bien compactés offrent une capacité portante plus élevée que les sols libres ou perturbés
  • Teneur en eau: La teneur en eau affecte de façon significative la résistance et la capacité de roulement du sol.
  • Profondeur de la fondation: Les fondations plus profondes bénéficient généralement d'une capacité de roulement accrue en raison d'une pression de confinement plus élevée
  • Fondation Forme et dimension: La géométrie de la fondation influence la distribution des contraintes et la capacité de roulement
  • Conditions de charge:[ Le type, la magnitude et la direction des charges appliquées influent sur les exigences de capacité portante

Modes de défaillance du roulement

La compréhension des modes de rupture des roulements est essentielle en génie géotechnique pour assurer la conception sûre et fiable des fondations.

Failement général du cisaillement :La rupture générale du cisaillement se manifeste par un effondrement brutal et dévastateur marqué par un motif de rupture distinct, impliquant la formation d'une surface de rupture clairement définie s'étendant du bord de la semelle jusqu'à la surface du sol, caractérisée par un bouleversement de la surface du sol et un inclinaison de la semelle.

Failement du cisaillement local : La rupture du cisaillement local survient lorsque la fondation est située sur le sol avec un compactage moyen, composé de caractéristiques sablonneuses ou argileuses, avec le motif de défaillance perceptible seulement observable sous le pied, ressemblant à une défaillance générale du cisaillement avec coin visible et des surfaces de glissement aux bords du pied.

Failement de la cisaillement par immersion:[ La défaillance de la ponction survient lorsque la fondation est significativement profonde sous la surface du sol et est située sur des sols lâches à faible compressibilité, sans bouleversement ni basculement des sols adjacents, et que la terre sous la terre est essentiellement percutée par le sol lorsque la capacité est dépassée.

Facteurs critiques qui influent sur les dimensions de la fondation

La détermination des dimensions de fondation sûres exige une étude approfondie de plusieurs facteurs interdépendants. L'analyse et la conception des fondations sont des processus itératifs puisque l'ampleur des charges imposées, le tassement correspondant et la géométrie de la fondation sont interdépendants et sont affectées par la capacité géotechnique, la capacité structurelle et les exigences de colonisation.

Analyse de la charge structurelle

La fondation doit être capable de supporter les charges mortes, vivantes et environnementales de la structure. La détermination précise de la charge est la première étape de la conception de la fondation :

Charges mortes: Ces charges permanentes comprennent le poids de la structure elle-même, y compris les murs, les planchers, les toits et les équipements fixes. Les charges mortes restent constantes tout au long de la vie de la structure et doivent être soigneusement calculées en fonction de la densité des matériaux et des dimensions de la structure.

Charges en mouvement :[ Les charges variables provenant de l'occupation, du mobilier, de l'équipement et des articles mobiles doivent être prises en considération.

Charges environnementales : Les fondations doivent résister aux forces environnementales telles que le vent, les tremblements de terre et les pressions de l'eau souterraine.Ces charges peuvent être importantes et peuvent régir la conception des fondations dans certaines régions ou conditions.

Combinaisons de charge: IBC (2024) et ASCE 7-22 prescrivent deux ensembles de combinaisons de charge, l'un pour la conception de la résistance et l'autre pour la conception de la contrainte admissible.

Propriétés du sol et considérations géotechniques

La capacité, la composition et la profondeur du sol sont essentielles pour déterminer le type de fondation.

Soil Stratification:[ Comprendre la couche et les caractéristiques des différentes strates du sol aide les ingénieurs à identifier les couches de roulement appropriées et les zones de problèmes potentiels.

Paramètres de résistance à la cisaillement: La méthode Terzaghi se concentre sur les composants de résistance au cisaillement du sol, compte tenu de la cohésion, de la contrainte efficace et de l'angle de frottement interne.

Conditions d'eau de fond:[ Il est nécessaire de déterminer les charges hydrostatiques en fonction des niveaux d'eau déterminés par les ingénieurs hydrauliques et hydrologiques.

Conditions du sol problématiques:[ Les sols collapsibles se déposent sans pression supplémentaire appliquée lorsque l'eau est suffisamment disponible pour le sol, car l'eau affaiblit ou détruit les matériaux liants entre les particules qui peuvent réduire considérablement la capacité portante du sol d'origine.

Considérations relatives au règlement

L'expérience a montré que le règlement est habituellement le facteur déterminant dans la décision d'utiliser un étalement. L'analyse du règlement est souvent plus critique que la capacité de supporter dans la conception des fondations:

Règlement total: Le mouvement vertical global de la fondation doit être limité à des valeurs acceptables qui ne nuisent pas à la fonction ou à l'esthétique structurales.

Settlement différentiel:[ Une fondation bien conçue répartit la charge uniformément dans le sol, réduisant ainsi le risque de tassement différentiel, qui survient lorsque des parties d'une structure se déposent à des vitesses différentes, entraînant des fissures et des dommages structurels.

Dépendance du temps Règlement:[ La quantité de tassement due aux charges structurales réelles doit être prédite et le temps de l'occurrence estimée. Le tassement de consolidation dans les sols argileux peut se poursuivre pendant des années après la construction.

Conditions spécifiques au site

La proximité des côtes, des conditions du sol et des considérations climatiques, comme les charges de vent, est importante.

Stabilité de pente:[ La stabilité globale doit être évaluée à l'aide de méthodes d'équilibre limitantes telles que Bishop modifié, Janbu, Spencer, ou d'autres méthodes d'analyse de stabilité de pente largement acceptées.

Structures adjacentes :[ La présence de bâtiments voisins ou de services publics souterrains a des répercussions sur la conception des fondations.

Considérations sismiques:[ Dans les régions sismiques, les fondations doivent être conçues pour résister aux forces provoquées par les tremblements de terre et prévenir les défaillances liées à la liquéfaction.

Action de gel:[ Dans les climats froids, les fondations doivent s'étendre sous la profondeur du gel pour éviter le tissage et les dommages des cycles de gel-dégel.

Enquête géotechnique globale

La conception de la fondation exige une collaboration étroite entre les ingénieurs de la structure, de la géotechnique et de la construction.

Exigences en matière d'enquête

Lorsque des enquêtes géotechniques sont requises, le demandeur de permis doit présenter au responsable du bâtiment un rapport écrit sur les enquêtes au moment de la demande de permis, et ce rapport doit comporter une parcelle indiquant l'emplacement des enquêtes sur le sol. L'enquête doit être exhaustive et propre au site.

Exploration souterraine: Un nombre suffisant de forages, de sondes et/ou de fosses d'essai doivent être effectués pour vérifier que les conditions souterraines sont adéquates pour soutenir les fondations. La profondeur d'exploration devrait s'étendre bien en dessous de la zone d'influence prévue des charges de fondation.

Sol Échantillonnage et essais:[ Le rapport géotechnique devrait comprendre un relevé complet des billes d'essai de forage et de pénétration du sol et des échantillons de sol, ainsi qu'un relevé du profil du sol.

Évaluation des eaux de surface :[ L'élévation de la nappe phréatique, si elle est rencontrée, doit être documentée.

Sommaire du rapport géotechnique

Les recommandations concernant le type de fondation et les critères de conception devraient comprendre la capacité portante du sol naturel ou compacté; des dispositions visant à atténuer les effets des sols étendus; l'atténuation des effets de la liquéfaction, du tassement différentiel et de la résistance variable du sol; et les effets des charges adjacentes.

  • Description du site et aperçu du projet
  • Conditions de surface et stratification du sol
  • Conditions et variations des eaux souterraines
  • Résultats des essais en laboratoire et propriétés du sol
  • Recommandations relatives aux capacités à porter
  • Estimations et analyse des règlements
  • Recommandations de type Fondation
  • Considérations relatives à la construction et prescriptions particulières
  • Classification sismique et paramètres de conception du site

Considérations relatives aux enquêtes spéciales

Les zones de calcaire dont on soupçonne qu'elles contiennent des canaux ou des cavités en solution ou d'autres zones dont on soupçonne qu'elles présentent une topographie karstique ou des vides subsurfaces doivent être étudiées par une combinaison de forages, de sondages, de fosses d'essai et de méthodes géophysiques, comme l'a déterminé le professionnel de la conception agréé.

Fondations de roche: La conception des fondations dans la roche doit comprendre la capacité portante, le tassement, les analyses de stabilité coulissante et la prise en compte des effets de la suintement et du coulis pour éviter la suintement.

Évaluation de la liquéfaction:[ Le socle doit être stable contre une défaillance globale de la stabilité du sol et une propagation latérale résultant de la liquéfaction, et les semelles situées au-dessus du sol liquéfiable mais dans une couche non liquidable doivent être conçues de manière à satisfaire aux critères de résistance au roulement établis pour la structure de l'État limite d'événement extrême.

Méthodes de calcul de la capacité de roulement

Il existe plusieurs méthodes bien établies pour calculer la capacité portante du sol. Karl von Terzaghi a été le premier à présenter une théorie complète pour l'évaluation de la capacité portante ultime de fondations peu profondes rugueuses, indiquant qu'une fondation est peu profonde si sa profondeur est inférieure ou égale à sa largeur.

Théorie de la capacité de roulement de Terzaghi

En 1943, Karl Terzaghi a développé sur l'étude de Prantl 1921 sur la pénétration des corps durs sur les matériaux plus doux, la théorie de la défaillance plastique, et a utilisé cette théorie pour déterminer la capacité portante des sols pour les fondations peu profondes.

L'équation de la capacité portante de Terzaghi comprend trois termes représentant différentes contributions à la capacité portante:

  • Terme de cohésion: comptes pour la cohésion des sols
  • Terme de surcharge : Considère l'effet de la surcharge de sol au-dessus de la base de fondation
  • Terme d'auto-poids : Comprend la contribution du poids du sol sous la fondation

Les équations de capacité portante de Terzaghi font les hypothèses suivantes : La largeur de la fondation est égale ou supérieure à sa profondeur (c.-à-d. B>D), ce qui signifie que la fondation est considérée comme une fondation peu profonde, aucun moment appliqué, la charge appliquée est compressive et appliquée verticalement au centroïde de fondation, et un supplément uniforme peut remplacer le poids du sol au-dessus de la base de la fondation.

Méthodes Meyerhof et Vesić

En 1951, Meyerhof publia une théorie de la capacité portante qui pouvait être appliquée à des fondations rugueuses peu profondes et profondes, proposant une équation de capacité portante semblable à celle de Terzaghi, mais incluant un facteur de forme avec le terme de profondeur, et il incluait également des facteurs de profondeur et d'inclinaison.

Les méthodes Meyerhof et Vesić comportent des facteurs supplémentaires pour tenir compte:

  • Forme de fondation (vertangulaire, carrée, circulaire)
  • Effets de profondeur de la fondation
  • Inclinaison de charge (charges excentriques ou inclinées)
  • inclinaison de la surface du sol (sol en pente)
  • inclinaison de la base (base de fondation en lacet)

Facteurs de sécurité

La capacité de roulement admissible est normalement calculée à partir de la capacité de roulement ultime en utilisant un facteur de sécurité.

L'expérience a montré que le peuplement d'une fondation typique sur l'argile molle est probablement acceptable si un facteur de 2,5 est utilisé, alors que les peuplements sur l'argile rigide peuvent être assez importants même si la capacité de roulement ultime est relativement élevée, et il peut donc être approprié d'utiliser un facteur plus proche 3.0.

Les facteurs de sécurité varient généralement de 2,5 à 3,0 pour la capacité de roulement, bien que les valeurs spécifiques dépendent:

  • Variabilité et incertitude du sol
  • Qualité de l'étude géotechnique
  • Importance de la structure
  • Conséquences de l'échec
  • Tolérance de règlement

Processus étape par étape pour déterminer les dimensions de base en toute sécurité

Une approche systématique permet de veiller à ce que tous les facteurs critiques soient pris en compte correctement dans la conception des fondations.

Étape 1 : Effectuer une enquête approfondie sur le site

Commencez par une étude géotechnique approfondie pour caractériser les conditions souterraines :

  • Effectuer des forages de sol à des endroits stratégiques à travers le site
  • Obtenir des échantillons de sol non perturbés et perturbés pour les essais en laboratoire
  • Effectuer des essais in situ tels que des essais de pénétration standard (SPT) ou des essais de pénétration du cône (CPT)
  • Identifier les niveaux d'eau souterraine et les variations saisonnières
  • Évaluer les conditions particulières telles que les sols expansifs, les sols pliables ou le potentiel de liquéfaction
  • Évaluer les structures voisines et leur influence potentielle

La classification des sols doit être fondée sur l'observation et sur tous les essais nécessaires des matériaux divulgués par les forages, les fosses d'essai ou toute autre exploration subsurface effectuée dans des endroits appropriés, et des études supplémentaires doivent être effectuées si nécessaire pour évaluer la stabilité des pentes, la résistance, la position et l'adéquation des sols porteurs, l'effet de la variation de l'humidité sur la capacité de sol porteur, la compressibilité, la liquéfaction et l'étendue.

Étape 2 : Déterminer les charges de conception

Calculer toutes les charges que la fondation doit supporter :

  • Déterminer les charges mortes à partir des éléments structuraux, des finitions et des équipements fixes
  • Établir des charges réelles en fonction des exigences du code de construction et de l'utilisation prévue
  • Calculer les charges environnementales, y compris les pressions du vent, de la sismique, de la neige et de l'hydrostatique
  • Développer des combinaisons de charges par code de construction applicable
  • Identifier les cas de charge critique pour la conception de la fondation
  • Considérer les éléments de charge verticale et latérale

Pour chaque élément de fondation, déterminer la charge verticale totale, les charges horizontales et les moments de renversement qui doivent être résistés.

Étape 3 : Établir la capacité de roulement admissible du sol

D'après les résultats des études géotechniques, déterminer la capacité de roulement admissible :

  • Calculer la capacité de roulement ultime en utilisant des méthodes appropriées (Terzaghi, Meyerhof ou Vesić)
  • Appliquer des facteurs de sécurité appropriés pour déterminer la capacité de roulement admissible
  • Envisager l'influence des eaux souterraines sur la capacité de charge
  • Compte tenu des effets excentriques de charge et d'inclinaison de charge
  • Vérifier que la capacité de roulement est adéquate pour toutes les combinaisons de charges

En cas de capacité de roulement insuffisante, le sol peut être amélioré ou, à défaut, la charge peut être répartie sur une plus grande surface de telle sorte que la contrainte appliquée au sol soit réduite à une valeur acceptable inférieure à la capacité de roulement, qui peut être atteinte avec des fondations de tartinage composées de béton armé.

Étape 4 : Effectuer le calibrage préliminaire de la fondation

Déterminer les dimensions initiales de la fondation en fonction des exigences de capacité de roulement:

  • Calculer la surface de fondation requise : Superficie = Capacité totale de charge / de roulement admissible
  • Choisir la forme de fondation appropriée (carré, rectangulaire, circulaire)
  • Déterminer les dimensions préliminaires de largeur et de longueur
  • Établir la profondeur de fondation en fonction de la profondeur du gel, du potentiel de courbure et de l'emplacement de la couche de roulement
  • Vérifier que les dimensions de la fondation sont pratiques et constructibles

Il est important que l'ingénieur de la structure comprenne la capacité portante du sol afin que nous puissions déterminer correctement la taille de la fondation, comme pour une charge donnée sur une fondation de construction, si le sol est plus faible, la base doit être plus grande pour répartir la charge; si le sol est plus fort, la base peut être plus petite.

Étape 5 : Vérifier la stabilité contre les glissements

Vérifier que la fondation a une résistance adéquate au glissement:

  • Calculer les forces horizontales agissant sur la fondation
  • Déterminer la résistance au glissement par frottement et pression passive
  • Calculer le facteur de sécurité contre le glissement : FS = Forces de résistance / Forces de conduite
  • Vérifier que ce facteur de sécurité satisfait aux exigences du code (généralement 1,5 minimum pour les charges de service)
  • Considérez les clés de cisaillement ou d'autres mesures si la résistance au glissement est insuffisante

La pratique traditionnelle consistant à maintenir un facteur de sécurité minimal de 1,5 contre les défaillances de renversement et de glissement n'est utilisée que dans les situations où les évaluations sont basées sur des charges de niveau de service, et les codes de construction ne traitent pas spécifiquement des facteurs de sécurité contre les défaillances de renversement et de glissement, puisque l'application appropriée de la conception de la résistance ou des combinaisons de charges de contrainte admissibles entraîne intrinsèquement une configuration de structure stable.

Étape 6 : Évaluer la stabilité en cas de renversement

Évaluer la résistance de la fondation aux moments de renversement :

  • Calculer les moments de retournement à partir des charges latérales et des charges verticales excentriques
  • Déterminer les moments de résistance à partir du poids de la fondation et des charges verticales
  • Calculer le facteur de sécurité contre le renversement : FS = Moments de résistance / Moments de renversement
  • Vérifier le facteur de sécurité adéquat (généralement au minimum 1,5 à 2,0)
  • Vérifiez que la force résultante se situe dans le tiers médian de la base de fondation pour empêcher l'élévation

L'analyse pour déterminer l'emplacement résultant dans les directives antérieures a été qualifiée d'analyse de stabilité de renversement, mais c'est un mauvais nom depuis qu'un support de fondation, l'écrasement de l'orteil de structure et/ou une défaillance de glissement se produira avant que la structure ne se retourne, de sorte que ce manuel remplace le terme analyse de stabilité de renversement par l'emplacement résultant.

Étape 7 : Effectuer une analyse de règlement

Estimation du règlement des fondations et vérification de l'acceptabilité :

  • Calculer la colonisation immédiate (élastique) en utilisant la théorie élastique
  • Estimation du tassement de consolidation pour les sols argileux à l'aide des résultats des essais de consolidation
  • Déterminer le règlement total comme la somme des composantes immédiates et consolidation
  • Évaluer le règlement différentiel entre les éléments de fondation adjacents
  • Comparer les règlements prévus aux valeurs admissibles pour le type de structure
  • Régler les dimensions de la fondation si les règlements dépassent les limites acceptables

La fixation est généralement le facteur déterminant dans la décision d'utiliser un étalement, ce qui n'est pas surprenant puisque les considérations structurelles limitent généralement les établissements tolérables à des valeurs qui ne peuvent être obtenues que sur des sols compétents qui ne sont pas sujets à une défaillance de la capacité portante.

Étape 8: Vérifier l'adéquation structurelle de la Fondation

Concevoir la fondation comme un élément structurel:

  • Calculer les pressions de roulement du sol sous la fondation
  • Déterminer les moments de flexion et les forces de cisaillement dans la fondation
  • Renforcement de conception pour résister aux forces calculées
  • Vérifiez la capacité de cisaillement de poinçonnage autour des colonnes
  • Vérifier les capacités de cisaillement à sens unique et à sens bidirectionnel
  • Assurer une couverture concrète adéquate et un renforcement du développement

Étape 9 : Considérer la faisabilité de la construction

Évaluer les considérations pratiques en matière de construction :

  • Évaluer les besoins en matière d'excavation et la stabilité
  • Évaluer les besoins en déshydratation si l'eau souterraine est présente
  • Envisager d'accéder au matériel de construction
  • Vérifier que les dimensions de fondation sont constructibles avec l'équipement disponible
  • Répondre à toutes les exigences particulières de construction ou de séquençage

Le sol droit sous le pied est le plus critique et, en général, le plus maltraité, comme lorsque nous excavations pour les pieds, les dents sur le seau remuent le sol et mélangent l'air en lui, diminuant sa densité, et le sol du remblai peut tomber dans la tranchée, de sorte que le sol qui est lâche a beaucoup moins de capacité de support que le sol d'origine, ce qui explique pourquoi il est si important de compacter le fond de la tranchée.

Étape 10 : Conception et préparation des documents

Compléter la documentation de conception:

  • Préparer des plans détaillés de fondation montrant les dimensions, les élévations et le renforcement
  • Documenter tous les calculs et hypothèses de conception
  • Spécifier la résistance du béton, le niveau de renforcement et d'autres matériaux
  • Fournir les spécifications de construction, y compris les exigences d'excavation, de compactage et de placement du béton
  • Inclure les exigences en matière de contrôle de la qualité et d'essais
  • Préciser les exigences en matière d'inspection pendant la construction

Types de fondation et critères de sélection

Les fondations peu profondes, dont les profondeurs ne dépassent pas leur largeur, sont spécialement conçues pour répartir les charges sur une plus grande superficie, ce qui réduit le risque de naufrage ou d'instabilité.

Systèmes de fondation peu profonds

Les fondations peu profondes sont économiques et pratiques lorsqu'il existe un sol compétent près de la surface :

Pieds de tartinade isolés:[ Les pieds de tartinade sont des coussinets individuels qui supportent des colonnes ou des murs. Ils sont utilisés pour des colonnes individuelles lorsque la capacité portante du sol est adéquate et que le tassement différentiel peut être contrôlé.

Filts continus de la bande: Les semelles de la bande sont des bandes continues supportant les murs porteurs. Ces derniers distribuent les charges murales le long de leur longueur et sont couramment utilisés pour la construction de murs de roulement.

Pieds de page combinés:[ Lorsque les colonnes sont espacées ou situées près des lignes de propriété, les bases combinées supportent plusieurs colonnes sur un seul élément de fondation.

Fondations Mat ou Raft: Elles couvrent l'ensemble de l'empreinte du bâtiment, distribuant des charges sur une grande superficie. Elles sont utilisées lorsque la capacité portante du sol est faible ou lorsque le tassement différentiel doit être minimisé.

Systèmes de fondation profonde

Les fondations profondes sont le meilleur choix lorsque les fondations étalées ne peuvent être fondées sur des sols ou des roches compétents à un coût raisonnable, et lorsque les conditions du sol permettent normalement l'utilisation de bases étalées mais que le potentiel de propagation latérale, de liquéfaction ou de propagation latérale existe, il convient d'utiliser des fondations profondes portant sur des matériaux appropriés en dessous de ces sols sensibles comme protection contre ces problèmes.

Piles moteurs: Piles en acier, en béton ou en bois entraînés dans le sol, qui transfèrent les charges par le roulement d'extrémité et/ou la friction de l'arbre vers des couches de sol plus profondes et plus compétentes.

Arbres percés :[ Lorsque les sols de surface présentent une faible capacité de roulement ou sont sujets à un peuplement important, des fondations profondes, comme des pieux ou des puits forés, s'étendent en couches de sol ou de roche plus solides et stables, ce qui garantit que la structure est soutenue par des matériaux ayant une capacité de roulement suffisante.

Piles d'augrette :[ Ils sont construits par forage avec une auge de vol continue et le pompage du coulis à travers la tige creuse lorsque l'augrette est retirée.

Critères de sélection de la fondation

La sélection des fondations appropriées implique l'analyse de plusieurs facteurs propres au site du projet.

  • Capacité portante et stratification du sol
  • Ampleur et répartition des charges structurales
  • Tolérance de règlement de la structure
  • Conditions d'eau souterraine et drainage
  • Présence de sols problématiques (expansive, pliable, organique)
  • Considérations sismiques et potentiel de liquéfaction
  • Coûts et calendrier de construction
  • Équipement de construction et expertise disponibles
  • Contraintes et réglementations environnementales

Considérations particulières pour les conditions de sol difficiles

Certaines conditions du sol exigent des considérations de conception et des mesures d'atténuation spéciales pour assurer la stabilité et le rendement des fondations.

Sols expansif

Les sols expansifs subissent des variations de volume importantes avec des variations de la teneur en eau, ce qui peut entraîner une accumulation de fond et une détresse :

Il est possible que les pieds ne soient pas réalisables lorsque des sols expansifs ou pliables sont présents près de l'altitude du palier.

  • Enlever et remplacer le sol expansif par un matériau non expansif
  • Stabiliser le sol par traitement chimique (stabilisation de la chaux ou du ciment)
  • Concevoir des fondations pour résister aux forces de levage (systèmes de poutre et de poutre)
  • Fournir un drainage adéquat pour maintenir des conditions d'humidité constantes
  • Utiliser des dalles post-tensionnées pour résister aux mouvements différentiels

Lorsque la zone active des sols expansifs est stabilisée au lieu de concevoir des fondations selon des méthodes standard, le sol est stabilisé par des techniques chimiques, de déshydratation, de présaturation ou d'équivalent.

Sols collapsibles

Les sols collapsibles se déposeront sans pression supplémentaire lorsqu'une eau suffisante sera disponible pour le sol, car l'eau affaiblit ou détruit le matériau de liaison entre les particules qui peuvent réduire considérablement la capacité portante du sol d'origine, et le potentiel d'effondrement de ces sols doit être déterminé pour considération dans la conception de la fondation.

Les mesures d'atténuation des sols effondrementables comprennent :

  • Prémouillage et compactage pour provoquer l'effondrement avant construction
  • Enlèvement et remplacement par un remplissage mécanique
  • Fondements profonds s'étendant à travers des couches pliables
  • Stabilisation chimique pour renforcer les liaisons interparticules
  • Obstacles à l'humidité pour prévenir l'infiltration d'eau

Sols organiques et argiles douces

Les sols organiques et les argiles molles très compressibles présentent une faible capacité de roulement et un fort potentiel de peuplement :

  • Enlever les sols organiques et les remplacer par des remplissages mécaniques
  • Utiliser des matériaux de remplissage légers pour réduire les charges
  • Utiliser des techniques d'amélioration du sol comme les drains de charge ou les drains de mèche
  • Concevoir des fondations profondes pour contourner les couches faibles
  • Permettre la construction par étapes avec surveillance des colonies

Sols sensibles à la liquéfaction

La résistance au roulement d'un pied situé au-dessus des sols liquéfiables doit être déterminée en tenant compte du potentiel de développement d'un pliage par cisaillement et doit également être évaluée au moyen d'un calcul de résistance au roulement à deux couches, en supposant que le sol soit liquéfié.

Les stratégies de lutte contre la liquéfaction comprennent :

  • Densification par compaction vibro ou compactage dynamique
  • Fondements profonds s'étendant aux couches non liquidables
  • Amélioration du sol par des colonnes de pierre ou un mélange profond de sol
  • Systèmes de drainage pour réduire la pression interstitielle de l'eau
  • Conception structurelle pour les colonies après liquéfaction

Contrôle de la qualité et surveillance de la construction

Des pratiques de construction et un contrôle de la qualité sont essentiels pour que les fondations fonctionnent comme prévu.

Excavation et préparation

Les fouilles de fondation doivent être effectuées et inspectées de manière appropriée :

  • Vérifier que les fouilles atteignent l'altitude de roulement de conception
  • Inspecter le sol exposé pour confirmer qu'il correspond aux descriptions des rapports géotechniques
  • Enlever le sol libre ou perturbé du fond de l'excavation
  • Sous-classement compact à densité spécifiée
  • Protéger les fouilles contre l'infiltration d'eau et les intempéries
  • Documenter toute situation ou déviation inattendue par rapport aux profils de sol prévus

La résistance du sol directement sous le pied, où les charges sont concentrées, est cruciale pour la performance de la fondation, et vous pouvez avoir une bonne idée de la capacité portante du sol dans le fond de la tranchée à l'aide d'un pénétromètre manuel, un dispositif de poche qui est une sonde à ressort qui évalue la pression que le sol peut résister et est étalonné pour donner des lectures en tonnes par pied carré.

Placement et épuration du béton

Une construction en béton de qualité assure la durabilité et la résistance des fondations :

  • Utiliser des modèles de mélange de béton qui répondent aux exigences de résistance et de durabilité spécifiées
  • Vérifier le positionnement et la couverture appropriés du renforcement
  • Assurer un positionnement continu du béton sans joints froids dans les zones critiques
  • Assurer une consolidation adéquate pour éliminer les vides
  • Mettre en œuvre des procédures de curage appropriées pour atteindre la résistance de conception
  • Effectuer des essais de contrôle de la qualité, y compris des essais de chute, de teneur en air et de résistance à la compression

Inspection et essais

Inspection et essais complets vérifient la qualité de la construction :

  • Effectuer des inspections préalables des fouilles et des renforts
  • Surveiller les opérations de placement en béton
  • Effectuer des essais de densité sur le terrain sur les matériaux de remplissage compactés
  • Résistance du béton à l'essai par rupture de cylindre
  • Indiquer les écarts par rapport aux prescriptions de conception
  • Vérifier la conformité aux spécifications avant de procéder à la construction ultérieure

Techniques d'analyse avancées

Pour les projets complexes ou les conditions difficiles, les méthodes d'analyse avancées fournissent des prédictions plus raffinées du comportement de la fondation.

Analyse des éléments finis

Les approches de recherche avancées comprennent les méthodes d'éléments finis de domaine complet et les méthodes de sous-structuration des éléments macro-élements ainsi que les rétroactions des campagnes expérimentales de référence.

  • Stratification complexe des sols et variations des propriétés
  • Comportement non linéaire du sol sous charge
  • Répartition des contraintes en trois dimensions
  • Effets séquentiels de la construction
  • Consolidation et règlement dépendant du temps

Conception axée sur les performances

L'ASCE 7 fournit la fiabilité cible pour l'évaluation de la stabilité pour l'utilisation d'approches de conception axées sur le rendement. La conception axée sur le rendement vise à atteindre des objectifs de rendement précis plutôt que la conformité au code prescriptif, ce qui permet:

  • Optimisation des systèmes de base pour des besoins spécifiques du projet
  • Prise de décisions fondée sur le risque
  • Prise en compte de niveaux de performance multiples (fonctionnalité, sécurité de la vie, prévention de l'effondrement)
  • Optimisation économique tout en maintenant la sécurité

Méthodes probabilistes

L'analyse probabiliste tient compte des incertitudes concernant les propriétés et le chargement du sol :

  • Quantifie la variabilité des paramètres du sol
  • Évaluer la probabilité d'échec ou de dépassement des critères de performance
  • Permet de prendre des décisions de conception fondées sur la fiabilité
  • Optimise les facteurs de sécurité en fonction des conséquences d'une défaillance

Exigences et normes du code

La conception de la fondation doit être conforme aux codes et aux normes applicables qui établissent les exigences minimales de sécurité.

Code international du bâtiment (CBI)

Les prescriptions quantitatives de stabilité structurelle en GRV (2024) et en ASCE 7-22, codes d'enregistrement pour l'analyse et la conception de nouvelles structures de construction, sont énoncées dans la section 1807.2 du GRV. Le GRV fournit des prescriptions détaillées pour la conception des fondations, notamment:

  • Exigences en matière d'enquêtes géotechniques
  • profondeur minimale de fondation
  • Méthodes de détermination de la capacité de roulement
  • Dispositions spéciales pour les sols problématiques
  • Exigences de conception sismique
  • Ancrages de fondation et détails de connexion

ASCE 7 Normes de charge

L'ASCE 7 établit les exigences de charge et les combinaisons pour la conception structurelle, y compris les fondations.

  • Détermination de la charge morte, vivante et environnementale
  • Combinaisons de charge pour la conception de la résistance et de la fonctionnalité
  • Paramètres et procédures de conception sismique
  • Calculs de la charge éolienne
  • Charges de neige et de pluie

Normes spécifiques aux matériaux

Différentes normes de conception des matériaux, telles que l'AISC, l'ACI, les NDS et le TMS, permettent l'utilisation de différentes approches de conception, et l'ACI 318 adopte désormais exclusivement la méthode de conception de la résistance pour la conception du béton et inclut les combinaisons de charge de la résistance de conception compatibles avec celles du GRV et de l'ASCE 7.

Erreurs de conception communes et comment les éviter

Comprendre les pièges communs dans la conception des fondations aide les ingénieurs à éviter les erreurs coûteuses et à assurer des fondations sûres et économiques.

Enquête géotechnique insuffisante

L'exploration souterraine insuffisante est une cause majeure de problèmes de fondation :

  • Effectuer un nombre suffisant d'alésages pour caractériser la variabilité du site
  • Étendre les explorations à une profondeur suffisante au-dessous de l'altitude prévue du palier
  • Effectuer des essais de laboratoire appropriés pour déterminer les paramètres de conception
  • Étudier les conditions particulières telles que les eaux souterraines, les sols problématiques et les risques sismiques
  • Engager des ingénieurs géotechniques qualifiés pour des sites complexes

Sous-estimation du règlement

L'absence d'évaluation adéquate de la colonisation peut entraîner des dommages structurels :

  • Effectuer une analyse globale des règlements, y compris les composantes immédiates et consolidées
  • Envisager un règlement différentiel entre les éléments de base
  • Compte pour le temps de colonisation dans les sols compressibles
  • Établir des critères de règlement réalistes fondés sur la tolérance structurelle
  • Surveiller le règlement pendant et après la construction, le cas échéant

Ignorer les effets des eaux souterraines

Les eaux souterraines affectent de façon significative la capacité portante et la stabilité des fondations :

  • Déterminer les niveaux d'eau souterraine et les variations saisonnières
  • Compte tenu de la capacité de roulement réduite sous la nappe phréatique
  • Envisager de renforcer les forces de levage sur les structures inférieures à la teneur en soufre
  • Conception de systèmes de drainage adéquats
  • Évaluer le potentiel de changements de niveau des eaux souterraines sur la durée de vie de la structure

Qualité de la construction

Les mauvaises pratiques de construction peuvent nier la conception prudente :

  • Fournir des spécifications et des détails clairs sur la construction
  • Exiger une inspection des fouilles avant l'emplacement du béton
  • Spécifier les exigences de compactage pour les matériaux de remplissage
  • Mettre en oeuvre des programmes de contrôle de la qualité
  • Répondez rapidement aux situations imprévues avec l'examen technique

Technologies émergentes et tendances futures

L'ingénierie de la Fondation continue d'évoluer avec de nouvelles technologies et méthodologies qui améliorent la précision de conception et l'efficacité de la construction.

Caractérisation avancée du site

Les techniques modernes d'investigation fournissent des informations plus détaillées sur le sous-sol :

  • Méthodes géophysiques pour le profilage continu de la surface souterraine
  • Essai de pénétration du cône avec mesure de pression interstitielle
  • Essais de dilatomomètre pour les propriétés du sol in situ
  • Télédétection et LiDAR pour la topographie du site
  • Systèmes de surveillance continue des eaux souterraines et des colonies

Progrès informatiques

Des outils de calcul améliorés permettent une analyse plus sophistiquée :

  • Modélisation des éléments finis en trois dimensions
  • Analyse de consolidation couplée
  • Analyse dynamique pour le chargement sismique
  • Algorithmes d'optimisation pour la conception de fondation
  • Intégration de la modélisation de l'information sur les bâtiments (BIM)

Conception durable de la Fondation

Les considérations environnementales influent de plus en plus sur la conception des fondations :

  • Utilisation de matériaux recyclés et durables
  • Minimisation des fouilles et des déchets de matériaux
  • Techniques d'amélioration du sol réduisant l'empreinte carbone
  • Réutilisation adaptative des fondations existantes
  • Analyse des coûts du cycle de vie, y compris les incidences environnementales

Études de cas et applications pratiques

Des exemples concrets illustrent l'application de critères de stabilité dans la conception des fondations et les conséquences d'une conception inadéquate.

La Fondation a réussi à concevoir des sites difficiles

De nombreux projets ont permis de surmonter les conditions difficiles des sols grâce à une étude et à une conception appropriées :

Les projets sur des sites d'argile molle utilisent souvent des techniques d'amélioration du sol comme la recharge avec des drains de mèche pour accélérer la consolidation avant la construction.

Les bâtiments des régions sismiques où les sols sont liquéfiables ont réussi à utiliser des systèmes de fondation profonds qui s'étendent à travers des couches liquéfiables à des couches de roulement compétentes, combinés à une conception structurelle qui permet d'accueillir des mouvements potentiels de sol.

Les leçons tirées des échecs de la Fondation

Les échecs de la Fondation permettent d'améliorer les pratiques de conception de manière utile :

Les règlements différentiels par rapport aux enquêtes géotechniques inadéquates ont causé des dommages structuraux importants dans de nombreux bâtiments, ce qui souligne l'importance d'une exploration approfondie du sous-sol et d'une analyse appropriée des règlements.

Bien que les défaillances de capacité de roulement, moins fréquentes en raison de pratiques de conception prudentes, se sont produites lorsque les conditions réelles du sol différaient sensiblement des hypothèses ou lorsque la qualité de la construction était insuffisante, ce qui souligne la nécessité d'une surveillance approfondie des travaux et des travaux.

Ressources pour l'apprentissage continu

Les ingénieurs qui cherchent à approfondir leur compréhension de la stabilité et de la conception des fondations peuvent accéder à de nombreuses ressources :

Organisations professionnelles

Plusieurs organisations offrent des ressources techniques, de la formation continue et des possibilités de réseautage :

  • Société américaine des ingénieurs civils (ASCE) - Geo-Institute
  • Institut des fondations profondes (DFI)
  • Société internationale de mécanique des sols et de génie géotechnique (ISSMGE)
  • Institut d'ingénierie structurelle (SEI)

Publications et normes techniques

Les références clés pour la conception des fondations sont les suivantes :

  • ASCE 7: Charges minimales de conception et critères associés pour les bâtiments et autres structures
  • ACI 318: Exigences du code de construction pour le béton structurel
  • Code international du bâtiment (CBI)
  • Circulaires d'ingénierie géotechnique de la FHWA
  • Manuels de conception de NAVFAC

Ressources et outils en ligne

De nombreuses ressources en ligne soutiennent la conception de fondation :

  • Logiciel géotechnique pour l'analyse de la capacité de charge et du règlement
  • Calculatrices en ligne pour le calibrage préliminaire de la fondation
  • Articles techniques et études de cas de revues d'ingénierie
  • Webinaires et cours en ligne sur les thèmes de l'ingénierie de fondation
  • Forums de discussion pour les questions techniques et l'interaction entre pairs

Pour obtenir des ressources en génie géotechnique complètes, visitez le site Web GeoEngineer.org, qui fournit des articles techniques, des outils logiciels et des forums de discussion pour les professionnels de l'ingénierie de fondation.

La page Federal Highway Administration Geotechnical Engineering[ offre des conseils techniques détaillés, des manuels et des exemples de conception pour les systèmes de fondation.

Conclusion

L'ingénierie de la fondation est essentielle à la sécurité et à la longévité des structures, et en comprenant le comportement des sols, les mécanismes de transfert de charge et les critères de stabilité, les ingénieurs conçoivent des fondations qui soutiennent de façon fiable les structures dans des conditions variées, avec des progrès continus dans les essais, les matériaux et les techniques d'analyse contribuant à des systèmes de fondation plus sûrs et plus efficaces dans le monde entier.

La réussite de la conception des fondations dépend d'une étude géotechnique approfondie, d'une détermination précise de la charge, d'une bonne application de la théorie de la capacité de roulement, d'une analyse complète de la stabilité et d'une attention particulière à la qualité de la construction.

La conception géotechnique d'un socle à étalement est un processus en deux parties où il faut d'abord établir la capacité de roulement admissible du sol pour assurer la stabilité de la fondation et déterminer si les charges structurales proposées peuvent être supportées sur une fondation de taille raisonnable, et ensuite prévoir la quantité de tassement due aux charges structurales réelles et le moment de l'événement.

En suivant les méthodes établies, en appliquant des facteurs de sécurité appropriés et en respectant les exigences du code de construction, les ingénieurs peuvent concevoir des fondations qui fournissent un soutien fiable aux structures tout en optimisant les coûts et la constructibilité. L'intégration de techniques d'analyse avancées, de méthodes de caractérisation améliorées du site et de pratiques de conception durables continue de faire progresser le domaine de l'ingénierie des fondations, permettant des solutions sûres et économiques pour des projets de plus en plus complexes.

Que ce soit pour concevoir des bases résidentielles simples ou des systèmes de fondation complexes pour les grandes infrastructures, les principes fondamentaux de l'analyse de stabilité restent constants : comprendre le sol, calculer les charges, appliquer des méthodes de conception éprouvées, vérifier la stabilité par rapport à tous les modes de défaillance et assurer la construction de qualité.