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Chaque structure, des maisons résidentielles aux gratte-ciels imposants et aux ponts massifs, repose sur le sol sous-jacent pour soutenir en toute sécurité son poids. Comprendre comment le sol se comporte sous la charge et déterminer avec précision sa capacité de roulement est essentiel pour assurer la stabilité structurelle, prévenir les défaillances catastrophiques et optimiser les coûts de construction. Ce guide approfondi explore les principes essentiels de la capacité de roulement que chaque ingénieur civil et géotechnique doit maîtriser.

Qu'est-ce que la capacité de roulement?

La capacité de roulement est définie comme la capacité du sol ou de la roche à supporter en toute sécurité les charges appliquées à la surface du sol par une fondation. Elle représente la pression maximale qui peut être appliquée au sol sans causer de rupture de cisaillement ou de tassement excessif qui compromettrait l'intégrité structurelle du bâtiment ou de l'infrastructure ci-dessus.

Le concept de capacité portante englobe à la fois les caractéristiques de résistance du sol et les propriétés géométriques du système de fondation. Les ingénieurs doivent considérer non seulement la capacité inhérente du sol à résister aux contraintes de cisaillement, mais aussi la façon dont la forme, la taille, la profondeur et les conditions de charge de la fondation interagissent avec le sol. Une compréhension approfondie de la capacité portante permet aux ingénieurs de concevoir des fondations à la fois sûres et économiques, évitant les doubles pièges des conceptions surconservatrices qui gaspillent les ressources et les fondations sous-conçues qui risquent de faire défaut.

Types de capacité de roulement

Les ingénieurs distinguent plusieurs types de capacité portante, chacun servant un objectif précis dans la conception et l'analyse des fondations :

La capacité de roulement ultime représente la charge maximale par unité de surface que le sol peut supporter avant de subir une défaillance du cisaillement. C'est la limite théorique à laquelle la structure du sol se décompose et ne peut plus résister aux contraintes appliquées. À ce stade, le sol subit une déformation plastique et la fondation subit un règlement soudain et catastrophique. La capacité de roulement ultime est déterminée par les paramètres de résistance au cisaillement du sol, y compris la cohésion et l'angle de frottement interne, ainsi que la géométrie et la profondeur de la fondation.

La capacité de roulement admissible[ est la pression maximale qui peut être appliquée en toute sécurité au sol lorsque des facteurs de sécurité appropriés sont incorporés.Cette valeur est obtenue en divisant la capacité de roulement ultime par un facteur de sécurité, habituellement compris entre 2,5 et 3,0 pour les charges statiques, selon le niveau d'incertitude des propriétés du sol, l'importance de la structure et les codes locaux de construction. La capacité de roulement admissible fournit une valeur de conception prudente qui tient compte de la variabilité des conditions du sol, des défauts de construction potentiels et des scénarios de chargement imprévus.

La capacité de roulement ultime nette est calculée en soustrayant la contrainte effective du sol au niveau de la fondation de la capacité de roulement ultime, ce qui représente la pression supplémentaire que peut exercer la structure au-delà de ce qui était déjà présent du poids du sol qui a été excavé. Cette distinction est particulièrement importante pour les fondations placées à des profondeurs importantes, où la pression de surbordage est importante.

La capacité de roulement sécuritaire est semblable à la capacité de roulement admissible, mais peut aussi comporter des limites fondées sur des critères de règlement acceptables. Bien qu'un sol puisse supporter une certaine charge sans défaillance de cisaillement, il peut subir une stabilité excessive qui pourrait endommager la structure. La capacité de roulement sécuritaire garantit que les exigences de résistance et de capacité d'entretien sont satisfaites.

La capacité de roulement net sécuritaire combine les concepts de capacité de roulement net et de capacité de roulement sûr, ce qui représente l'augmentation nette de la pression au niveau de la fondation qui satisfait à la fois aux critères de résistance et de règlement avec des facteurs de sécurité appropriés.

L'importance critique de la capacité de roulement en génie

La compréhension et la détermination précise de la capacité portante ne sont pas seulement un exercice académique, mais ont de profondes conséquences pratiques sur la sécurité de la construction, la performance structurelle et l'économie du projet.

Stabilité et sécurité structurelles

Lorsque les pressions de fondation dépassent la capacité de roulement du sol, une rupture de cisaillement peut se produire, entraînant un règlement soudain et catastrophique. Ce type de défaillance se produit généralement rapidement et sans avertissement, ce qui laisse peu de temps aux occupants pour évacuer. Des exemples historiques de défaillances de la capacité de roulement, comme l'incident de Transcona Grain Elevator au Canada en 1913, démontrent les conséquences dramatiques lorsque la résistance du sol est dépassée.

Même en cas de défaillance totale, une capacité de roulement insuffisante peut conduire à un tassement différentiel, où différentes parties d'une structure s'installent de différentes quantités. Ce déplacement différentiel crée des contraintes internes que la structure n'a pas été conçue pour s'accommoder, entraînant des murs fendus, des portes et des fenêtres bouchées, des lignes d'utilité cassées et, dans les cas graves, des difficultés structurelles qui compromettent l'intégrité du bâtiment.

Optimisation économique

Des estimations surconservatrices conduisent à des fondations inutilement importantes et coûteuses, tout en sous-estimé les défaillances et les travaux d'assainissement coûteux du risque. En comprenant précisément les capacités de charge du sol, les ingénieurs peuvent concevoir des fondations qui sont suffisamment sûres sans coût excessif de matériaux. Cette optimisation devient particulièrement importante dans les grands projets où les coûts de fondation représentent une part importante du budget total.

Par exemple, si les études sur le sol révèlent une capacité de roulement plus élevée que ce qui était initialement supposé, les ingénieurs pourraient utiliser des fondations peu profondes au lieu de fondations de pieux profonds coûteuses, ce qui permettrait d'économiser des centaines de milliers de dollars, voire des millions de dollars, sur de grands projets.

Conformité réglementaire et responsabilité professionnelle

Les ingénieurs ont des obligations légales et éthiques pour s'assurer que leurs conceptions répondent à ces exigences ou les dépassent. L'absence d'évaluation adéquate de la capacité portante peut entraîner une responsabilité professionnelle, la perte de l'autorisation et des conséquences juridiques si les structures échouent ou ne fonctionnent pas correctement. La responsabilité professionnelle de protéger la sécurité publique fait de l'analyse de la capacité portante l'une des tâches les plus critiques en génie géotechnique.

Facteurs globaux affectant la capacité de roulement

La capacité de roulement n'est pas une propriété fixe et simple du sol, mais une fonction complexe de nombreux facteurs interdépendants. La compréhension de ces facteurs et de leur interaction est essentielle pour la détermination précise de la capacité de roulement et la conception sûre des fondations.

Type de sol et classification

Les sols cohésifs, comme les argiles, tirent leur force principalement de la cohésion interparticules et peuvent maintenir des coupes verticales sans support. Cependant, leur capacité de roulement est très sensible à la teneur en humidité et aux conditions de drainage. Les argiles saturées dans des conditions de charge non drainées peuvent avoir une capacité de roulement très faible, tandis que la même argile à l'état desséché peut supporter des charges beaucoup plus élevées.

Les sols sans cohésion, y compris les sables et les graviers, tirent leur force de la friction interne entre les particules. Ces sols ont généralement une cohésion zéro, mais peuvent développer une capacité de roulement substantielle grâce à la résistance aux frottements, surtout lorsqu'ils sont bien gradués et compactés de façon dense.

Les sols mixtes, tels que les sables limoneux ou les argiles sablonneuses, présentent un comportement intermédiaire et peuvent être particulièrement difficiles à caractériser. Leur capacité de charge dépend de la composante qui domine la structure du sol et de la façon dont les différentes tailles de particules interagissent.

La roche, lorsqu'elle est présente à la surface ou à proximité, offre généralement une excellente capacité portante, dépassant souvent les charges imposées par la plupart des structures. Cependant, la capacité portante de la roche peut être réduite de façon significative par l'altération, la fracturation ou la présence de coutures et de discontinuités faibles.

Teneur en eau du sol et conditions d'eau souterraine

Dans les sols cohésifs, une teneur accrue en eau réduit la cohésion interparticules et le stress efficace, ce qui diminue considérablement la capacité portante. Une argile qui peut supporter des charges importantes à l'état sec ou partiellement saturé peut devenir presque fluide lorsqu'elle est complètement saturée, ce qui perd la plus grande partie de sa capacité portante.

La position de la nappe phréatique est d'une importance critique parce que l'eau réduit le stress effectif du sol par des effets de flottabilité. Lorsque la nappe phréatique est au niveau de la fondation ou à proximité, le poids unitaire submergé du sol doit être utilisé pour calculer la capacité de roulement plutôt que le poids unitaire total, ce qui entraîne une capacité de roulement calculée significativement plus faible.

Dans les sols granulaires, la présence d'eau peut avoir des effets complexes. Bien qu'elle réduise le stress effectif et donc la capacité portante, l'action capillaire dans les sables fins partiellement saturés peut créer une cohésion apparente qui augmente temporairement la capacité portante. Cependant, cette cohésion apparente disparaît lorsque le sol devient complètement saturé ou complètement sec, de sorte qu'il ne doit jamais être utilisé dans la conception.

Profondeur et adhérence de la fondation

La profondeur à laquelle une fondation est placée influence de façon significative la capacité portante. Les fondations plus profondes ont généralement une capacité portante plus élevée pour plusieurs raisons. Premièrement, la pression de surcharge du sol au-dessus du niveau de fondation augmente le stress de confinement du sol sous la fondation, ce qui augmente sa résistance au cisaillement, particulièrement dans les sols granulaires.

Pour les fondations peu profondes, la capacité portante augmente généralement de façon approximativement linéaire avec la profondeur jusqu'à un certain point. Au-delà d'un rapport profondeur-largeur d'environ 4 à 5, les fondations sont généralement classées comme des fondations profondes, et différentes méthodes d'analyse s'appliquent.

Les travaux de forage plus profonds sont plus coûteux, peuvent être confrontés à des eaux souterraines nécessitant un arrosage et peuvent déstabiliser les structures adjacentes. La profondeur optimale de la fondation équilibre les besoins en capacité avec la faisabilité et l'économie de la construction.

Taille et forme de la fondation

La taille et la forme d'une fondation affectent sa capacité de roulement par leur influence sur le mécanisme de rupture dans le sol. Les fondations plus grandes ont généralement une pression de roulement plus faible pour la même charge totale, mais la relation n'est pas simplement proportionnelle en raison de la nature tridimensionnelle des mécanismes de rupture du sol.

Pour la même zone, les fondations circulaires et carrées ont généralement une plus grande capacité de roulement que les fondations à bandes (continues) parce qu'elles assurent une meilleure confinement du sol sous elles. Le sol sous une fondation circulaire ou carrée doit se déplacer en trois dimensions pour échouer, tandis que le sol sous une fondation à bandes peut se déplacer plus facilement en deux dimensions.

Les fondations rectangulaires ont des capacités de roulement intermédiaires entre les fondations carrées et les fondations à bandes, avec la valeur exacte selon le rapport longueur-largeur. Comme une fondation rectangulaire devient plus longue par rapport à sa largeur, son comportement approche celui d'une fondation à bandes, et la capacité de roulement par unité de surface diminue en conséquence.

Caractéristiques de charge

La nature des charges appliquées affecte significativement la capacité de roulement. Les charges verticales sont la principale considération dans la plupart des analyses de capacité de roulement, mais les fondations subissent souvent des charges inclinées en raison des forces latérales du vent, des tremblements de terre ou de la pression de la terre.

Les charges excentriques, où la force résultante n'agit pas par le centroïde de la fondation, créent des distributions de pression non uniformes avec des contraintes plus élevées d'un côté de la fondation, ce qui réduit la surface de fondation efficace et par conséquent la capacité portante.

La durée et le taux de chargement sont également importants, en particulier dans les sols cohésifs. La charge rapide dans des conditions non drainées peut entraîner une capacité de roulement différente de la charge lente qui permet le drainage et la consolidation.

Compactage et densité des sols

Le degré de compactage ou de densité du sol est l'un des facteurs les plus importants qui influent sur la capacité portante, en particulier dans les sols granulaires. Les sables non encombrés ont une capacité portante relativement faible et sont susceptibles de s'installer dans une zone importante sous la charge.

Dans les sols cohésifs, le compactage augmente la densité et peut améliorer la capacité de roulement, bien que les effets soient généralement moins dramatiques que dans les sols granulaires. Le compactage approprié pendant la construction est essentiel pour atteindre la capacité de roulement supposée dans la conception.

La densité relative est couramment utilisée pour caractériser l'état de compactage des sols granulaires, avec des valeurs allant de 0 % pour les sols très lâches à 100 % pour les sols très denses. La capacité de roulement est fortement corrélée avec la densité relative, et de nombreuses méthodes empiriques de capacité de roulement pour les sables sont basées sur la densité relative ou des paramètres connexes comme le nombre de coups de l'épreuve de pénétration standard (SPT).

Stratification et mise en couches des sols

Les dépôts naturels de sol sont rarement homogènes, mais ils sont constitués de plusieurs couches aux propriétés différentes. La présence de couches faibles sous une fondation peut contrôler la capacité portante même si le sol immédiatement sous la fondation est fort. Une fine couche d'argile molle sous une couche de sable, par exemple, peut causer une défaillance de la capacité portante en perçant ou en cas de rupture générale du cisaillement s'étendant dans la couche faible.

Lorsque le sol est fort, la capacité portante est souvent contrôlée par la couche plus faible et des méthodes d'analyse spéciales sont nécessaires pour tenir compte de l'état de la couche. Inversement, lorsque le sol est faible, la base peut percer la couche plus faible et la capacité portante dépend des propriétés des deux couches et de l'épaisseur de la couche plus faible.

Les ingénieurs doivent étudier attentivement les conditions de la sous-sol pour identifier les couches de sol et s'assurer que les analyses de la capacité du roulement tiennent compte de toutes les strates pertinentes dans la zone d'influence sous la fondation, généralement jusqu'à une profondeur de 1,5 à 2 fois la largeur de la fondation.

Inclinaison de la pente et de la surface du sol

La proximité d'une pente réduit le volume du sol disponible pour résister aux charges appliquées et offre un chemin de rupture préférentiel vers la face libre de la pente. Les équations de capacité de roulement comprennent des facteurs d'inclinaison du sol pour tenir compte de ces effets, la capacité de roulement diminuant à mesure que l'angle de pente augmente et que la fondation est placée plus près de la crête de pente.

Pour les fondations sur pentes abruptes ou très proches des crêtes de pente, la capacité de roulement peut être réduite de 50 % ou plus par rapport aux conditions de terrain de niveau. Dans ces cas, les ingénieurs peuvent devoir envisager d'autres solutions de fondation, telles que des fondations profondes qui s'étendent sous la surface potentielle de rupture de pente, ou des techniques d'amélioration du sol pour améliorer la stabilité.

Méthodes de détermination de la capacité de roulement

Les ingénieurs utilisent diverses méthodes pour déterminer la capacité de roulement, allant des corrélations empiriques basées sur des essais simples sur le terrain à des analyses numériques sophistiquées. Le choix de la méthode dépend des exigences du projet, des conditions du sol, des données disponibles et du niveau de précision requis.

Méthodes d'essai sur le terrain

Les essais sur le terrain permettent de mesurer directement les propriétés du sol à l'état naturel, en évitant les perturbations et les effets d'échelle associés aux essais en laboratoire.

L'essai de pénétration standard (SPT) est l'un des essais de terrain les plus courants et les plus économiques au monde. L'essai mesure la résistance du sol à la pénétration par un échantillonneur standard entraîné par un marteau de 140 livres tombant de 30 pouces. Le nombre de coups requis pour conduire l'échantillonneur de 12 pouces (la valeur N) est en corrélation avec la densité du sol, la résistance et la capacité portante. De nombreuses corrélations empiriques ont été développées pour estimer la capacité portante à partir des valeurs N du SPT, en particulier pour les sols granulaires.

L'essai de pénétration du cône (CPT)[ fournit des mesures continues de la résistance du sol comme une sonde en forme de cône est poussée au sol à une vitesse constante. Le CPT mesure la résistance à la pointe et le frottement des manches, fournissant des informations détaillées sur la stratigraphie et la résistance du sol. L'équipement moderne CPT peut également mesurer la pression interstitielle (piezocone) et d'autres paramètres.

L'essai de charge en ardoise est la méthode la plus directe pour déterminer la capacité de roulement, qui consiste à appliquer la charge à une plaque d'acier placée au niveau de fondation proposé et à mesurer le tassement qui en résulte. L'essai simule les conditions réelles de charge en ardoise et fournit une courbe de fixation de la contrainte qui peut être utilisée pour déterminer la capacité de roulement et la stabilité attendue. Toutefois, les essais de charge en ardoise sont coûteux et coûteux, et les résultats sont influencés par la taille de la plaque, qui est généralement beaucoup plus petite que la base réelle.

L'essai de pressionmètre[ consiste à étendre une sonde cylindrique dans un forage et à mesurer la relation pression-volume. Cet essai fournit des mesures in situ des propriétés de déformation du sol et des paramètres de résistance qui peuvent être utilisés pour calculer la capacité du roulement.L'essai de pressionmètre est particulièrement utile dans les sols difficiles où l'échantillonnage est difficile, comme les graviers ou les roches altérées.

Vane Shear Test[ est spécialement conçu pour les argiles douces à moyennes et fournit une mesure directe de la résistance au cisaillement non drainé. Une vane à quatre brins est insérée dans le sol et tournée, et le couple nécessaire pour le cisaillement du sol est mesuré. La résistance au cisaillement non drainée obtenue à partir des essais de cisaillement de la vane peut être directement utilisée dans les équations de capacité de roulement pour les sols cohésifs dans des conditions de charge non drainée.

Méthodes d'essai en laboratoire

Les essais en laboratoire sur des échantillons de sol fournissent des informations détaillées sur les propriétés du sol dans des conditions contrôlées.

L'essai triaxial de compression est l'essai de laboratoire le plus polyvalent et le plus utilisé pour déterminer les paramètres de résistance au cisaillement du sol.L'essai soumet un échantillon cylindrique de sol à une pression de confinement et à une contrainte axiale contrôlées tout en mesurant la déformation et la pression interstitielle.Les essais triaxiaux peuvent être effectués dans diverses conditions de drainage (drainées, non drainées ou non drainées) pour simuler différents scénarios de charge sur le terrain.Les résultats de l'essai fournissent des valeurs de cohésion et d'angle de friction qui sont des intrants fondamentaux pour les équations de capacité portante.

L'essai de cisaillement direct est une solution plus simple que l'essai triaxial, qui mesure la résistance au cisaillement du sol le long d'un plan de rupture prédéterminé. Bien que moins polyvalent que l'essai triaxial, les essais de cisaillement direct sont plus rapides et moins coûteux, ce qui les rend plus adaptés à la détermination systématique de l'angle de frottement dans les sols granulaires.

L'essai de compression sans confinement est utilisé spécifiquement pour les sols cohésifs et permet une mesure rapide de la résistance au cisaillement non drainée. L'essai est simple et économique mais n'est applicable qu'aux sols suffisamment cohésifs pour résister à une résistance non drainée.

L'essai de consolidation mesure la compressibilité et les caractéristiques de consolidation du sol sous charge soutenue.Bien que principalement utilisé pour l'analyse de l'établissement, les essais de consolidation fournissent également des renseignements sur l'évolution de la résistance du sol pendant le drainage et peuvent aider à prédire les changements de capacité portante à long terme dans les sols cohésifs.

Méthodes analytiques et théoriques

Les méthodes d'analyse utilisent des théories et des équations établies pour calculer la capacité portante en fonction des propriétés du sol et de la géométrie de la fondation, qui constituent l'épine dorsale de l'analyse de la capacité portante et sont intégrées dans les codes et les normes de conception dans le monde entier.

Les équations théoriques de capacité de roulement sont dérivées d'une analyse d'équilibre limite ou d'une théorie de plasticité, en supposant que des mécanismes de défaillance spécifiques dans le sol sont utilisés. Ces équations expriment la capacité de roulement en fonction des paramètres de résistance du sol (angle de cohésion et de frottement), du poids unitaire du sol, des dimensions de la fondation et de divers facteurs tenant compte de la forme de base, de la profondeur, de l'inclinaison de la charge et d'autres effets.

Différents chercheurs ont développé diverses équations de capacité portante avec des hypothèses et des niveaux de sophistication différents. Le choix de l'équation dépend de l'application spécifique, des conditions du sol, et du niveau de conservatisme souhaité.

Méthodes numériques et analyse informatique

Des méthodes numériques avancées, particulièrement l'analyse des éléments finis (AFE) et les méthodes de différence finie, permettent aux ingénieurs de modéliser des problèmes complexes d'interaction sol-fondation qui ne peuvent pas être adéquatement traités par des équations analytiques simplifiées.

L'analyse numérique est particulièrement utile pour les géométries inhabituelles des fondations, les conditions de sol en couches, les fondations sur pentes ou les situations impliquant des histoires de chargement complexes.

Bien que les méthodes numériques puissent fournir des prédictions plus réalistes que les approches analytiques simplifiées, elles nécessitent une validation minutieuse et devraient être utilisées pour compléter, et non pour remplacer, les méthodes traditionnelles et le jugement technique. La précision de l'analyse numérique dépend fortement de la qualité des paramètres d'entrée et de la pertinence des modèles constitutifs utilisés pour représenter le comportement du sol.

Équations et théories de la capacité de roulement classique

Plusieurs équations classiques de capacité portante ont été développées au cours du siècle dernier, chacune contribuant à notre compréhension de l'interaction sol-fondation.Ces équations restent fondamentales pour la pratique géotechnique moderne et constituent la base des dispositions de code de conception dans le monde entier.

La théorie de la capacité de roulement de Terzaghi

Karl Terzaghi, souvent appelé le père de la mécanique du sol, a développé la première théorie complète de la capacité portante en 1943. Son travail a établi le cadre fondamental sur lequel les chercheurs ultérieurs ont construit. L'équation de Terzaghi s'applique aux fondations à bandes peu profondes et suppose un mécanisme général de rupture de cisaillement avec une surface de défaillance bien définie s'étendant des bords de fondation dans le sol environnant.

L'équation de Terzaghi exprime la capacité portante ultime comme la somme de trois composantes : un terme de cohésion représentant la contribution de la cohésion du sol à la capacité portante, un terme de supplément tenant compte de l'effet bénéfique de la pression de surcharge au niveau de la fondation, et un terme de poids du sol représentant la résistance apportée par le poids du sol dans la zone de rupture.

Alors que l'équation originale de Terzaghi a été développée pour les bases à bandes, il a également fourni des équations modifiées pour les fondations carrées et circulaires en introduisant des facteurs de forme empirique. La théorie suppose que la fondation est rugueuse (pas de glissement entre la fondation et le sol), la charge est verticale et centrée, et la surface du sol est de niveau.

Une des limites de l'approche de Terzaghi est qu'elle ne tient pas compte explicitement des effets de profondeur de fondation au-delà du terme de supplément, ce qui le rend le plus approprié pour les fondations peu profondes où le rapport profondeur-largeur est inférieur à environ 1.0.

Théorie de la capacité de roulement de Meyerhof

G.G. Meyerhof a étendu les travaux de Terzaghi dans les années 1950 et 1960, développant une équation de capacité portante plus générale qui tient compte de la forme de fondation, de la profondeur et de l'inclinaison de charge par des facteurs explicites. L'approche de Meyerhof utilise la même structure à trois termes de base que l'équation de Terzaghi mais multiplie chaque terme par des facteurs de forme, des facteurs de profondeur et des facteurs d'inclinaison pour tenir compte de divers effets.

La théorie de Meyerhof suppose que la surface de rupture s'étend jusqu'à la surface du sol plutôt que de se terminer au niveau de la fondation comme dans la théorie de Terzaghi. Cette hypothèse entraîne généralement une capacité de roulement calculée plus élevée, en particulier pour les fondations plus profondes.

Meyerhof a également développé des méthodes d'estimation de la capacité portante à partir des données de l'épreuve de pénétration standard (SPT), fournissant des corrélations empiriques précieuses qui sont encore largement utilisées, en particulier pour la conception préliminaire dans les sols granulaires.

Équation de la capacité de roulement de Hansen

J. Brinch Hansen a développé en 1970 une équation complète de capacité portante qui comprend des facteurs de forme, de profondeur, d'inclinaison de charge, d'inclinaison de base et d'inclinaison du sol. L'équation de Hansen est l'une des formulations de capacité portante les plus complètes et les plus largement utilisées, incorporées dans de nombreux codes et normes internationaux de conception.

L'approche de Hansen utilise la même structure à trois termes que les théories précédentes, mais fournit des facteurs plus raffinés basés sur l'analyse théorique et les données expérimentales. Les facteurs de forme dans l'équation de Hansen diffèrent de ceux proposés par Meyerhof et fournissent généralement des résultats légèrement différents, en particulier pour les fondations rectangulaires.

L'une des contributions importantes de Hansen a été le développement de facteurs d'inclinaison qui expliquent à la fois l'ampleur et la direction des charges horizontales. Ces facteurs réduisent la capacité de roulement lorsque les charges sont inclinées de la verticale, avec la réduction en fonction de l'angle d'inclinaison de la charge et de l'angle de friction du sol. Hansen a également fourni des facteurs pour le sol en pente et les bases inclinées, rendant son équation applicable à une large gamme de situations pratiques.

L'équation de Hansen est particulièrement utile pour des conditions de chargement complexes impliquant des combinaisons de charges verticales, horizontales et de moments. La nature complète de l'équation le rend adapté pour la conception détaillée, bien que les multiples facteurs peuvent rendre les calculs manuels fastidieux, conduisant de nombreux ingénieurs à utiliser des tableurs ou des logiciels spécialisés pour la mise en œuvre.

La théorie de la capacité de roulement de Vesic

A.S. Vesic a développé des équations de capacité portante dans les années 1970 basées sur la théorie de l'expansion de cavités et un travail expérimental approfondi. L'approche de Vesic fournit des facteurs de capacité portante dérivés d'une analyse théorique rigoureuse et comprend des facteurs de correction complets semblables à l'équation de Hansen.

Les facteurs de capacité portante de Vesic diffèrent légèrement de ceux de Hansen et Meyerhof, en particulier pour les angles de frottement élevés. Les différences découlent de différentes hypothèses sur le mécanisme de défaillance et les méthodes mathématiques utilisées pour calculer les facteurs de capacité portante.

Vesic a également contribué de façon significative à comprendre la transition entre les différents modes de rupture (cisaillement général, cisaillement local et cisaillement par poinçonnage) et la façon dont la compressibilité du sol affecte la capacité portante.

Équation de Skempton pour les sols cohésifs

A.W. Skempton a développé des équations de capacité de roulement simplifiées spécifiquement pour les argiles saturées dans des conditions de charge non drainées, qui représentent des scénarios de conception critiques pour de nombreuses structures sur des sols cohésifs.

L'équation de Skempton exprime la capacité de roulement comme produit de la résistance au cisaillement non drainée et un facteur de capacité de roulement qui dépend de la forme et de la profondeur de la fondation. Pour les semelles en bande à la surface, le facteur de capacité de roulement est d'environ 5,14 sur la base d'une analyse théorique.

La simplicité de l'approche de Skempton la rend particulièrement utile pour la conception préliminaire et les contrôles rapides. Cependant, les ingénieurs doivent se rappeler qu'elle ne s'applique qu'aux conditions non drainées, qui sont les plus pertinentes pour les argiles saturées chargées rapidement.

Modes et mécanismes de défaillance

Comprendre comment le sol échoue sous les charges de fondation est essentiel pour une analyse de la capacité de roulement appropriée. Le sol sous une fondation chargée peut échouer dans différents modes selon les propriétés du sol, la géométrie de la fondation et les conditions de chargement.

Défaillance du général Shear

La rupture générale du cisaillement est le mode de rupture classique supposé dans la plupart des théories de capacité portante. Il se produit dans des sols denses ou rigides et se caractérise par une surface de rupture bien définie s'étendant du bord de la fondation à travers le sol. Le mécanisme de défaillance se compose généralement de trois zones : un coin actif directement sous la fondation qui se déplace vers le bas avec la fondation, une zone de cisaillement radial où le sol coule vers l'extérieur et vers le haut, et un coin passif qui est poussé vers le haut, provoquant un enfournement visible de la surface du sol adjacent à la fondation.

La rupture générale du cisaillement se produit soudainement avec peu d'avertissement, et la courbe de fixation de la charge montre un pic distinct correspondant à la capacité de roulement ultime. Après avoir atteint le pic, la capacité de roulement peut diminuer légèrement à mesure que le sol subit de grandes déformations.

Ce mode de rupture est le plus courant dans les sables denses, les argiles surconsolidées et d'autres sols à haute résistance au cisaillement et à faible compressibilité. Les équations de capacité de roulement classiques de Terzaghi, Meyerhof, Hansen et Vesic sont toutes basées sur le mécanisme général de rupture du cisaillement.

Défaillance locale du karité

La rupture de cisaillement locale se produit dans des sols de densité ou de rigidité intermédiaires, généralement des sables de densité moyenne ou des argiles de pente moyenne. Le mécanisme de rupture est semblable à la rupture de cisaillement générale, mais les surfaces de rupture ne sont pas aussi bien définies, et elles ne s'étendent pas à la surface du sol.

La courbe de fixation de la charge pour la rupture de cisaillement locale ne montre pas un pic aigu mais une transition progressive vers de grandes déformations. La défaillance est plus progressive qu'en général, avec une importante tassement avant l'atteinte de la capacité de roulement ultime.

Terzaghi a proposé que la capacité portante pour la rupture de cisaillement local puisse être estimée en utilisant les mêmes équations que pour la rupture de cisaillement générale, mais avec des paramètres de résistance du sol réduits. Il a suggéré d'utiliser les deux tiers de l'angle de frottement et les deux tiers de la cohésion pour tenir compte du mécanisme de défaillance moins efficace.

Défaut de frappe du cisaillement

La rupture du cisaillement par perforation se produit dans des sols lâches ou mous avec une faible résistance au cisaillement et une compressibilité élevée. Dans ce mode, la fondation percute le sol avec des surfaces verticales de cisaillement s'étendant vers le bas des bords de fondation.

La courbe de fixation de la charge pour la rupture du cisaillement par poinçonnage ne montre pas de pic distinct et le tassement augmente continuellement avec la charge croissante. La défaillance est très progressive, les grandes ruptures se produisant à des charges bien inférieures à la capacité théorique ultime du roulement. L'absence d'un point de rupture clair rend difficile la définition de la capacité de roulement ultime pour la rupture du cisaillement par poinçonnage, et la conception est souvent contrôlée par des limites de fixation plutôt que par des considérations de résistance.

La rupture de cisaillement par perforation est plus fréquente dans les sables très lâches, les argiles molles normalement consolidées et d'autres sols hautement compressibles. Lorsque ce mode de rupture est prévu, les ingénieurs utilisent généralement des critères de conception basés sur la colonisation ou envisagent des techniques d'amélioration du sol pour densifier ou renforcer le sol.

Considérations relatives au règlement dans la conception de la capacité de roulement

Bien que l'analyse de la capacité de charge vise à prévenir la rupture du cisaillement, le règlement est tout aussi important dans la conception des fondations. Une fondation peut avoir une capacité de charge suffisante pour prévenir la défaillance, mais elle connaît toujours un règlement excessif qui endommage la structure.

Types de règlement

Le règlement de fondation comprend trois composantes : le règlement immédiat (ou élastique) qui se produit au moment de l'application de la charge, le règlement de consolidation primaire qui se produit au moment où l'eau est extraite des sols saturés et la compression secondaire qui se poursuit après la consolidation primaire est complète en raison du fluage de la structure du sol.

Dans les sols granulaires, le peuplement immédiat est habituellement la composante dominante et se produit rapidement à mesure que la charge est appliquée. Dans les sols cohésifs, le peuplement immédiat est suivi d'un tassement de consolidation, qui peut se poursuivre pendant des mois ou des années selon la perméabilité du sol et les conditions de drainage.

Le tassement primaire de la consolidation est particulièrement important dans les argiles saturées et les limons à faible perméabilité. La charge étant appliquée, la pression excessive de l'eau interstitielle doit se dissiper avant que le sol ne puisse se compresser, et ce processus peut être très lent dans les sols à grains fins.

La compression secondaire survient après la consolidation primaire est complète et représente une déformation continue sous une contrainte efficace constante. Cette composante est la plus importante dans les sols organiques et les argiles fortement plastiques et peut se poursuivre pendant des décennies après la construction.

Critères de règlement tolérable

Les différences de tolérance entre les structures sont différentes : le règlement total, le règlement différentiel (la différence de règlement entre deux points) et la distorsion angulaire (le règlement différentiel divisé par la distance entre les points) ont tous une incidence sur la performance structurelle.

Pour les bâtiments typiques, des règlements totaux de 1 à 2 pouces peuvent être acceptables s'ils se produisent uniformément, mais des règlements différentiels de plus de 0,5 à 1 pouce peuvent causer des dommages. Les distorsions angulaires supérieures à 1/3 peuvent provoquer des fissures visibles dans les murs et les cloisons, tandis que les distorsions supérieures à 1/150 peuvent causer des dommages structurels.

Dans de nombreux cas, en particulier sur les sols compressibles, la capacité de roulement admissible est limitée par des critères de tassement plutôt que par la résistance au cisaillement. Les ingénieurs doivent calculer les tassements attendus et s'assurer qu'ils restent dans des limites tolérables, ce qui peut nécessiter une réduction des pressions de fondation en deçà des valeurs qui seraient permises en fonction de la capacité de roulement seule.

Considérations particulières pour différents types de fondations

Les différents types de fondations ont des considérations uniques en matière de capacité portante que les ingénieurs doivent aborder dans la conception.

Fondations peu profondes

Les fondations peu profondes, y compris les fondations étalées, les fondations mates et les fondations combinées, transfèrent les charges au sol à des profondeurs relativement peu profondes, généralement inférieures à 3 à 4 mètres de la surface. Les équations de capacité de roulement classiques discutées plus haut s'appliquent principalement aux fondations peu profondes.

Les fondations de tapis ou de radeaux répartissent les charges sur de grandes surfaces et sont souvent utilisées lorsque les semelles individuelles sont trop grandes ou trop espacées. Les tapis peuvent être efficaces sur les sols compressibles parce qu'ils réduisent la pression de roulement et réduisent au minimum la stabilité différentielle.

Fondations profondes

Les fondations profondes, y compris les pieux entraînés, les puits forés et les caissons, transfèrent les charges vers des couches de sol ou de roche plus profondes et plus fortes. La capacité de roulement des fondations profondes comprend à la fois le roulement de bout au sommet du pieu et le frottement latéral le long du pieu.

Les fondations profondes sont utilisées lorsque les couches de roulement peu profondes sont inadéquates, lorsque le tassement doit être réduit au minimum ou lorsque les fondations doivent résister à des charges montantes ou latérales. La conception de fondations profondes exige l'examen des effets d'installation, des effets de groupe lorsque plusieurs pieux sont utilisés et le potentiel de friction cutanée négative dans les sols de tassement.

Fondations sur le rock

La roche offre généralement une excellente capacité de roulement, mais la capacité réelle dépend du type de roche, du degré d'altération et de la présence de discontinuités telles que les joints, les fractures et les plans de litière.

La conception des fondations sur les roches nécessite une étude géologique minutieuse pour identifier les zones faibles, les cavités de solution dans le calcaire, ou d'autres caractéristiques qui pourraient compromettre la capacité portante.

Techniques d'amélioration au sol pour améliorer la capacité de roulement

Lorsque les conditions naturelles du sol ne permettent pas de porter correctement, les ingénieurs peuvent utiliser diverses techniques d'amélioration du sol pour améliorer les propriétés du sol plutôt que de recourir à des systèmes de fondations profondes coûteux.

La compaction est l'une des méthodes d'amélioration du sol les plus courantes et les plus rentables pour les sols granulaires. Le compactage dynamique, la vibrocompaction et d'autres techniques densifient les sols en vrac, augmentent la capacité de roulement et réduisent le potentiel de colonisation.

Le remplacement du sol[ consiste à excaver le sol inadapté et à le remplacer par un remplissage artificiel de propriétés connues.Cette approche simple est économique lorsque les couches de sol inadaptées sont relativement minces et que l'excavation est pratique.

Les colonnes en ton ou le remplacement vibro créent des colonnes de gravier compacté à travers des sols doux cohésifs, fournissant des voies de renforcement et de drainage qui accélèrent la consolidation.

La stabilisation chimique à l'aide de chaux, de ciment ou d'autres additifs peut améliorer la résistance et réduire la compressibilité des sols à grains fins. La stabilisation de la chaux est particulièrement efficace pour les argiles plastiques, tandis que la stabilisation du ciment fonctionne bien pour une grande variété de types de sols.

Le transport[ consiste à injecter des coulis cimenteux ou chimiques dans le sol pour combler les vides, lier les particules et augmenter la résistance. Le transport est utile pour améliorer la capacité de roulement dans les graviers, les roches fracturées et d'autres sols avec une perméabilité suffisante pour permettre la pénétration du coulis.

Le renforcement géosynthétique utilisant des géogrides ou des géotextiles peut améliorer la capacité portante en fournissant un renforcement de traction et en distribuant des charges sur des zones plus larges. Cette approche est particulièrement utile pour les fondations sur des sols mous ou sur des vides.

La sélection de méthodes appropriées d'amélioration du sol dépend des conditions du sol, des besoins du projet, de l'équipement disponible et des considérations économiques.

Capacité de roulement dans des conditions sismiques

La secousse sismique induit des contraintes cycliques dans le sol qui peuvent réduire la résistance au cisaillement et la capacité de roulement. Dans les sables saturés et certains limon, la secousse sismique peut provoquer une liquéfaction, où le sol perd temporairement de la force et se comporte comme un liquide, entraînant une perte complète de capacité de roulement.

L'analyse de la capacité de charge sismique doit tenir compte à la fois de la réduction de la résistance du sol due à la charge cyclique et des forces d'inertie supplémentaires dues au tremblement de terre. Divers chercheurs ont développé des équations de capacité de charge modifiées qui incluent des coefficients sismiques pour tenir compte de ces effets.

Si la liquéfaction est possible, il faut envisager des mesures d'atténuation telles que l'amélioration du sol, des fondations profondes s'étendant sous des couches liquéfiables ou des solutions de rechange pour la sélection du site. Les codes de conception sismique modernes fournissent des procédures détaillées pour évaluer le potentiel de liquéfaction et concevoir des bases pour les conditions sismiques.

Contrôle de la qualité et considérations liées à la construction

Même l'analyse de la capacité de roulement la plus sophistiquée n'a pas de sens si la construction ne remplit pas les conditions supposées.

La surface du support de fondation doit être inspectée par un ingénieur géotechnique avant l'emplacement du béton pour vérifier que les conditions du sol correspondent à celles qui sont supposées dans la conception. Il faut s'attaquer aux taches molles, aux matières organiques ou aux couches faibles inattendues avant de procéder.

La protection de la surface du roulement contre les perturbations est essentielle. Les fouilles ne doivent pas rester ouvertes plus longtemps que nécessaire, et la surface du roulement doit être protégée contre les adoucissements dus à la pluie, à la fuite d'eau souterraine ou au trafic de construction.

Le compactage du remplissage mécanique doit être vérifié au moyen d'essais de densité sur le terrain pour s'assurer que la densité requise est atteinte. L'épaisseur du levage, la teneur en eau et l'effort de compactage doivent être contrôlés pour obtenir un remplissage uniforme et bien compacté.

Les systèmes de déshydratation doivent maintenir la nappe phréatique au-dessous du niveau de fondation pendant la construction si l'eau souterraine est présente.

Études de cas et applications pratiques

La compréhension de la théorie de la capacité portante est essentielle, mais l'application pratique exige un jugement d'ingénierie développé par l'expérience. L'examen d'études de cas de projets réussis et d'échecs fournit des leçons précieuses pour les ingénieurs praticiens.

La défaillance de l'ascenseur de grain Transcona en 1913 demeure l'une des plus célèbres défaillances de la capacité portante. La structure massive en béton a incliné de façon spectaculaire lorsque la pression de fondation a dépassé la capacité portante de l'argile sous-jacente. Heureusement, la structure est restée en grande partie intacte malgré une inclinaison d'environ 27 degrés, et elle a été ramenée à la verticale et soutenue sur une base plus large.

La tour de retenue de Pise représente un exemple classique de peuplement différentiel en raison de conditions de sol variables et de capacité de roulement inadéquate. La tour est penchée depuis la construction commencée au 12ème siècle en raison de couches d'argile molle et de limon sous un côté de la fondation. Les efforts de stabilisation modernes ont réussi à réduire le maigre et a assuré la stabilité de la tour, démontrant comment même les problèmes de capacité de roulement antiques peuvent être traités avec des techniques géotechniques modernes.

Parmi les exemples les plus récents, on peut citer de nombreuses défaillances de construction lors de tremblements de terre dues à la perte de capacité de roulement induite par la liquéfaction. Le tremblement de terre de 1964 Niigata au Japon et le tremblement de terre de 1989 Loma Prieta en Californie ont causé des défaillances dramatiques de construction lorsque les sols sablonneux saturés ont été liquéfiés, ce qui a entraîné le développement de procédures modernes d'évaluation de la liquéfaction et des exigences de conception sismique.

Les projets réussis démontrent la valeur d'une étude géotechnique approfondie et d'une analyse appropriée de la capacité de roulement. Le Burj Khalifa à Dubaï, le bâtiment le plus haut du monde, a exigé une étude géotechnique approfondie et une conception de fondation sophistiquée pour transférer en toute sécurité des charges énormes à la roche sous-jacente.

Développements modernes et orientations futures

L'analyse de la capacité de roulement continue d'évoluer avec les progrès de la technologie d'essai, des méthodes de calcul et de la compréhension du comportement du sol. Les développements modernes comprennent des modèles plus sophistiqués qui représentent mieux le comportement du sol sous une charge complexe, des dispositifs d'essai in situ améliorés qui fournissent une caractérisation plus détaillée du sol et des méthodes numériques avancées qui peuvent modéliser les effets tridimensionnels et l'interaction complexe entre le sol et la structure.

Les méthodes de conception basées sur la fiabilité sont de plus en plus intégrées dans la pratique géotechnique, tenant compte explicitement de l'incertitude des propriétés du sol et fournissant des approches plus rationnelles des facteurs de sécurité.

Les ingénieurs envisagent de plus en plus l'empreinte carbone des systèmes de fondation et cherchent des solutions qui réduisent au minimum les impacts environnementaux tout en maintenant la sécurité. Les techniques d'amélioration du sol qui utilisent des matériaux recyclés ou réduisent la consommation de béton sont des solutions de rechange durables aux approches traditionnelles de fondation.

Les effets du changement climatique, y compris l'élévation des niveaux d'eau souterraine dans les zones côtières et l'évolution des régimes de précipitations, peuvent avoir une incidence sur la capacité de charge à long terme et nécessiteront une attention particulière dans la conception.

Ressources pour l'apprentissage continu

Les ingénieurs qui cherchent à approfondir leur compréhension de la capacité portante ont accès à de nombreuses ressources. Des organisations professionnelles comme l'American Society of Civil Engineers (ASCE), l'International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (ISSMGE) et le Deep Foundations Institute (DFI) offrent des publications techniques, des conférences et des possibilités de formation continue axées sur l'ingénierie géotechnique et la conception de fondations.

Les manuels classiques sur la mécanique des sols et l'ingénierie des fondations couvrent la théorie et la pratique de la capacité portante. Les ouvrages de Braja Das, Bowles, Coduto et Budhu sont largement utilisés dans les cours universitaires et la pratique professionnelle.

Les codes et normes de conception, y compris le Code international du bâtiment (CBI), ASCE 7 et Eurocode 7, contiennent des exigences et des procédures spécifiques pour l'analyse de la capacité et la conception des fondations.Les ingénieurs doivent connaître les codes applicables à leur juridiction et au type de projet.Pour plus d'informations sur les normes et pratiques de génie géotechnique, les ressources d'organisations comme la communauté GeoEngineer.org fournissent des articles techniques et des forums de discussion précieux.

Les outils logiciels pour l'analyse de la capacité de roulement vont de simples feuilles de calcul à des programmes perfectionnés d'éléments finis. De nombreux progiciels géotechniques comprennent des modules de calcul de la capacité de roulement basés sur diverses méthodes théoriques.

Les sites Web universitaires offrent souvent un accès gratuit aux documents de cours et aux notes de cours qui peuvent compléter le perfectionnement professionnel. La page de l'Administration fédérale de la route sur le génie géotechnique offre de nombreux manuels techniques et guides de conception pertinents pour la capacité portante et l'ingénierie de fondation.

Conclusion

La capacité de roulement est un concept fondamental que tout ingénieur civil et géotechnique doit bien comprendre. De la définition de base de la capacité du sol à soutenir les charges aux méthodes d'analyse sophistiquées utilisées dans la pratique moderne, l'analyse de la capacité de roulement constitue le fondement d'une conception structurelle sûre et économique.Les principes établis par des pionniers comme Terzaghi, Meyerhof, Hansen et Vesic continuent à guider la pratique de l'ingénierie, tandis que les développements modernes dans les méthodes d'essai, d'analyse et de conception fournissent des outils de plus en plus puissants pour relever des défis géotechniques complexes.

Pour réussir l'analyse de la capacité portante, il faut intégrer plusieurs éléments : une étude approfondie du site pour caractériser les conditions du sol, une sélection appropriée des méthodes d'analyse en fonction du type de sol et des conditions de chargement, une considération attentive de tous les facteurs qui influent sur la capacité portante, une application appropriée des facteurs de sécurité pour tenir compte de l'incertitude et une attention particulière au contrôle de la qualité de la construction pour s'assurer que les hypothèses de conception sont réalisées sur le terrain.

Les ingénieurs doivent reconnaître que l'analyse de la capacité portante n'est pas un exercice purement théorique, mais une tâche d'ingénierie pratique qui exige du jugement, de l'expérience et de la compréhension des principes de la mécanique du sol et des réalités de construction.

À mesure que les structures deviennent plus grandes, les charges deviennent plus lourdes et que la construction se prolonge dans des conditions plus difficiles, l'importance d'une analyse précise des capacités portantes ne fait qu'augmenter.

Pour les ingénieurs au début de leur carrière, le développement d'une expertise en analyse de la capacité portante est essentiel pour le développement professionnel et la compétence en génie géotechnique et en ingénierie de fondation. Pour les praticiens expérimentés, rester au courant des nouveaux développements, affiner le jugement par l'apprentissage continu et encadrer la prochaine génération d'ingénieurs assure que la profession continue à progresser tout en maintenant les normes les plus élevées de sécurité et de performance.

Les bases de la capacité de porter – comprendre ce qu'elle est, pourquoi elle compte, quels facteurs l'affectent et comment la déterminer – constituent une base essentielle pour tout ingénieur qui participe à la conception et à la construction de structures.En maîtrisant ces fondamentaux et en les développant continuellement par l'étude, l'expérience et le développement professionnel, les ingénieurs peuvent concevoir avec confiance des fondations qui soutiennent en toute sécurité la société des structures, en s'appuyant littéralement sur des terrains solides.