essai statique de fondations profondes

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1 essai statique de fondations profondes P R E S E N T A T I O N F. BAGUELIN Ingénieur des Ponts et Chaussées Chef de Section adjoint à la Section de Mécanique des Sols Laboratoire Central Responsable du G.E.E.S.F.0 P. En 7965 fut créé, à l'initiative du Laboratoire Central, du Service Central d'etudes Techniques et du Service Spécial des Autoroutes *, le Groupe d'etudes d'essais Statiques de Fondations Profondes ou G.E.E.S.F.O.P., avec notamment les objectifs suivants [2] : établir un mode d'exécution de l'essai statique, améliorer les méthodes d'interprétation, développer nos connaissances sur le comportement du pieu. En proposant un mode opératoire de l'essai statique, ** le G.E.E.S.F.O.P. franchit actuellement une étape importante, mais qui, pour être appréciée à sa juste mesure, doit être resituée dans le contexte général des études géotechniques et de l'état des connaissances en matière de fondations profondes ; et c'est bien là l'objet de l'article de MM. Jézequel et Marchai que l'on trouvera ci-dessous. Deux traits importants du mode opératoire peuvent être relevés : 7 - La qualité des mesures y est, à juste titre, un des soucis principaux. En effet, contrairement à une opinion assez répandue, l'interprétation d'un essai de pieu est délicate, et, l'essai étant onéreux, il est indispensable d'être en mesure de l'interpréter le plus correctement possible. 2- résulte d'un choix, portant notamment sur le programme de chargement : valeur, succession et durée des paliers. Choix raisonné, ainsi que le montre l'article, mais gardant néanmoins un caractère arbitraire. Il est cependant nécessaire que chacun se conforme scrupuleusement aux règles proposées, car la standardisation fût-elle relative est une condition essentielle aux progrès en matière de fondations profondes. Seule elle peut permettre de comparer valablement plusieurs essais effectués sur des pieux et des sites différents, et donc de porter une appréciation sur les méthodes de prévision actuellement disponibles et de les améliorer, ce qui est un des objectifs essentiel proposés au Groupe. Il ne faut pas perdre de vue, par ailleurs, que l'essai de pieu a, lui-même, un caractère relatif : il doit s'insérer dans une étude géotechnique complète et ne donne pas «ipso-facto» la réponse aux problèmes de fondations. Enfin, le mode opératoire proposé sera mis à l'épreuve sur une période de deux ans, c'est-àdire que ses insuffisances et ses défauts, constatés par les utilisateurs, devront être portés à la connaissance du Laboratoire Central pendant cette période, afin que les ajustements nécessaires soient ensuite effectués. Nous entrons donc dans une phase nouvelle de l'activité du Groupe, où la collaboration active des maîtres d'œuvre, entreprises et bureaux d'études de fondations, est sollicitée. Que ce travail soit de longue haleine et requiert un effort commun, il est facile à chacun de s'en convaincre en sachant que l'étape franchie aujourd'hui, très modeste par rapport à ce qui reste à faire, repose sur le travail de plusieurs années et sur l'expérience de la dizaine de membres du G.E.E.S.F.O.P., de provenances diverses, animé par M. Jézequel. Le faible niveau des connaissances sur le comportement des pieux et sur la prévision de ce comportement, reconnu universellement, doit cependant nous inciter à l'entreprendre. * Les deux derniers formant actuellement le Service d'etudes Techniques des Routes et Autoroutes (S.E.T.R.A.). ** Ce mode opératoire est mis en diffusion par le L.C.P.C., sous forma de projet, fin avril Bull. Liaison Labo. Routiers P. et Ch. n» 44 - Mars-Avril Réf. 843 r-

2 L'essai statique de fondations profondes, appelé plus couramment «essai de pieu», est un essai de mécanique des sols. Ceci peut paraître une évidence. Pourtant, combien d'essais de ce genre ont été réalisés sans que le spécialiste des sols ait eu à apprécier les trois points importants que sont : opportunité, réalisation et exploitation de l'essai. Cela tient à deux raisons principales : il est simple, en apparence, de charger un pieu : «on voit bien quelle charge il peut supporter» ; les récentes règles des Documents techniques unifiés (D.T.U.) [] mises à part, il n'existait pas de recommandations véritables pour la réalisation de ces essais. Pour combler cette lacune importante, il a été créé le Groupe d'études d'essais statiques de fondations profondes (G.E.E.S.F.O.P.) [2] dont le rôle premier est de répondre aux trois problèmes énoncés plus haut et de rédiger un mode opératoire sur l'essai. CONDITIONS GENERALES DE L'ESSAI CONSTATATIONS Dans ce qui suit, on traitera surtout de l'essai statique d'enfoncement de pieu. Mais la plupart des remarques s'appliqueront également aux autres types d'essais (arrachement, sollicitations horizontales en tête). L'essai de pieu - Ses limites Il est tout d'abord nécessaire de réfuter l'opinion trop répandue que l'essai de pieu suffit seul à résoudre tous les problèmes, qu'il dispense donc de sondages ou d'études de sols. Des sondages et des essais de sols sont indispensables car, d'une part, sans eux, sauf cas particuliers, on ne peut pas orienter, a priori, la solution vers les fondations profondes, d'autre part, si des fondations profondes sont nécessaires, le choix du type de pieux (ou puits) dépend essentiellement des résultats qu'ils auront fournis. Pour des fondations profondes, neuf fois sur dix, une adjudication «au moins disant» n'aurait pas de sens : chaque type de pieu a son domaine préférentiel d'utilisation et ses limites, que seule l'étude préalable permet de fixer dans chaque cas. L'essai statique de chargement de pieux ne renseigne que sur les charges nominales en tête et les déplacements correspondants. Or, sauf quelques cas célèbres, mentionnés dans la littérature, les fondations profondes insuffisamment dimensionnées pour les charges verticales de l'ouvrage seul sont rares. Par contre, les échecs graves sont très nombreux qui proviennent : de la mise en place de pieux ou de leur fabrication, des poussées horizontales des remblais sur les pieux, etc. L'essai statique ne renseigne en aucune manière sur ces phénomènes, pas plus que sur le frottement négatif ou l'effet de groupe. Mais s'il y a peu d'exemple de poinçonnement du sol par des pieux, cela ne veut pas dire que la mécanique des sols sait exactement prévoir ce comportement et que, donc, les essais de pieux soient inutiles. Le graphique de la figure i donne, par exemple, le frottement latéral limite, dans les argiles, suivant divers auteurs [ ] en fonction de la cohésion non drainée C u et pour différents types de pieux. On constate une très grande divergence qui s'accroit avec l'augmentation des qualités du terrain. Fig. - Valeurs du frottement latéral dans les sols argileux suivant certains auteurs. 62

3 Malheureusement, la plupart des expérimentateurs ne définissent pas très clairement la façon dont ces valeurs ont été obtenues (par exemple, quel délai de repos a été respecté entre le battage éventuel et le chargement statique). On voit donc que si la mécanique des sols sait définir avec précision une cohésion C u, elle ne sait pas très bien qu'en faire ensuite (tout au moins en matière de fondations profondes). Opportunité de l'essai de pieu Dans certains cas, les essais de pieux ne sont donc pas inutiles. Encore faut-il les réaliser à bon escient. Circonstances où il est nécessaire d'effectuer l'essai Un essai de pieu sera conseillé lorsque : l'application des diverses méthodes de la mécanique des sols conduit à des résultats trop divergents ; ce sera souvent le cas pour des pieux très longs (au-delà de 5 à 20 mètres), surtout dans les matériaux silteux ou sableux, lâches et saturés ; les pieux reposent en pointe dans des craies altérées ou des marnes (même compactes), ces matériaux pouvant avoir un comportement particulier ; les pieux reposent en pointe dans des couches compactes de faible épaisseur ; les pieux métalliques (ou chemisés) travaillent au frottement latéral dans des argiles consistantes ou raides ; l'essai de pieu permet effectivement l'extrapolation des résultats à l'ensemble du site de l'ouvrage ; le mode de mise en œuvre peut provoquer un gain (ou une perte) important de charge nominale (notamment au frottement latéral), difficilement évaluable par l'étude de mécanique des sols. Circonstances où il est inutile de prévoir l'essai Un essai de pieu s'avérera généralement superflu lorsque : la pointe des pieux repose sur le rocher ou est encastrée de cinq à six diamètres dans un matériau pulvérulent compact régnant sur une forte épaisseur ; les pieux sont volontairement surdimensionnés pour résister à d'autres phénomènes (poussée des remblais, charges horizontales) ; il existe, au voisinage, des ouvrages dont les fondations sont bien connues et qui n'ont posé aucun problème ; le sol de fondation est très hétérogène. Il peut alors être préférable de multiplier les forages de reconnaissance et les essais en place (pressiomètre, pénétromètre...). Cas particuliers des formules de battage On évitera de faire un essai de pieu si les formules de battage conduisent à des charges nominales supérieures à la charge intrinsèque du pieu, c'est-àdire la charge obtenue en faisant travailler le béton au maximum de ses possibilités [7]. De même, si les résultats obtenus sont faibles, on se gardera de réaliser automatiquement des essais statiques : le G.E.E.S.F.O.P. considère, en effet, que l'application de telles formules ne peut conduire qu'à des résultats pessimistes dans la plupart des cas (frottement latéral très réduit par le battage). Un «rebattage» quelques heures ou quelques jours après suffit généralement à rassurer le maître d'œuvre. Choix du pieu d'essai Si l'essai est jugé opportun, deux cas peuvent se produire suivant que le pieu d'essai fait partie ou non de l'ouvrage. Dans le premier cas, les conditions de délais, d'accès, de mise en œuvre du dispositif de réaction seront primordiales, au point d'imposer le choix du pieu d'essai ; mais, chaque fois que celles-ci le permettront, le pieu d'essai devra être choisi parmi les pieux les plus chargés (en général les pieux périphériques, surtout s'il s'agit de pieux battus dans un sable, le phénomène de densification étant plus important au centre que sur les bords). Il faut également noter que, souvent, les maîtres d'œuvre hésitent à charger à plus de,5 fois la charge nominale QN un pieu inclus dans la fondation future ; cette crainte est, à notre avis, injustifiée dans le cas de pieux battus (il a bien fallu que le pieu soit amené à sa charge limite pour qu'il pénètre jusqu'à la cote voulue) ; dans le cas de pieux forés, la charge maximale d'essai peut être également majorée si le temps qui s'écoule entre l'essai et la construction de l'ouvrage (tablier en particulier) est suffisant pour permettre une reconstitution du sol (cf. «Délai de repos»). Dans le deuxième cas, le pieu devra être prédimensionné au plus juste et mis en place dans une zone reconnue comme étant peu différente de celle intéressée par l'ouvrage. Cette dernière solution est la plus intéressante et elle doit être retenue chaque fois que cela est possible : ou bien le chantier est en cours : l'essai statique pourra se dérouler normalement sans en gêner la marche ; ou bien le chantier n'est pas encore commencé : l'essai ne servira pas seulement de vérification, il permettra aussi de dimensionner au mieux la fondation réelle. Contrôle du pieu d'essai C'est une phase très importante qui devrait être systématiquement suivie par l'ingénieur responsable de l'essai statique. 63

4 Les points à surveiller particulièrement sont la verticalité, la cote atteinte par la pointe et les dimensions transversales tous les mètres, pour les pieux exécutés en place. Cette dernière précision, souvent difficile à obtenir pour certains types de pieux, est pourtant une donnée primordiale si l'on associe des mesures de contraintes par capteurs, placés à différents niveaux dans le fût du pieu. Réalisation de l'essai Le coût moyen d'un essai est actuellement de à francs ; I est bien plus élevé si, par exemple, les charges atteignent 500 ou 600 tonnes dans des sites difficiles. La part la plus importante de ces dépenses provient de la location et de la confection du dispositif de réaction et, éventuellement, de la fabrication du pieu d'essai (lorsque celui-ci est effectué isolément avant l'ouvrage réel). Pour les essais courants, les mesures proprement dites ont une incidence relativement faible sur le coût total de l'opération. Rien ne peut donc justifier que l'essai soit fait sommairement, comme c'est trop souvent le cas. La figure 2 représente deux courbes types de chargement de pieu. La courbe permet de distinguer trois phases principales (d'après Cambefort [8]) : une phase AB, domaine normal de travail du pieu, limitée supérieurement par la charge de fluage Q F, une phase BC, au cours de laquelle les enfoncements ne sont plus proportionnels aux charges en tête, une phase CD, au cours de laquelle le pieu s'enfonce rapidement et dont la valeur asymptotlque permet, en principe, de définir la charge limite Q L. Il est souvent difficile d'obtenir le domaine limite pour les pieux de très forte capacité portante (limite du dispositif de réaction). En toute rigueur, on ne sait même pas définir la charge limite : toute augmentation de charge en tête se traduit simplement par une vitesse d'enfoncement supérieure du pieu, la limite étant fixée par les possibilités de l'ensemble vérin-pompe. L'obtention de QF est donc primordiale dans bien des cas. Malheureusement, le phénomène n'est pas toujours net et les déplacements correspondants peuvent être très faibles (de l'ordre de quelques millimètres ou nettement moins pour des pieux flottants). Deux conditions doivent être nécessairement respectées pour obtenir une courbe type : Le délai de repos Comme indiqué précédemment, le fait de battre un pieu remanie le terrain s'il s'agit de matériaux argileux, silteux ou de sables lâches saturés. Les craies, matériaux thixotropes, sont également très affectées par les vibrations dues au battage. De même que l'application des formules de battage est alors très défavorable, la réalisation d'essais statiques, peu après le battage, conduit à des résultats très pessimistes. D. Pasturel [9] en donne un exemple clair à partir de trois essais réalisés sur un même site. Délai de repos (jours) Charge statique limite QL (tonnes) Charge dynamique limite (tonnes) Ecart relatif (%) Q F Charges en tête Q Essai Essai Essai On constate bien que l'amélioration de la charge limite statique augmente avec le délai de repos. Si le délai de repos est insuffisant, on obtient des courbes qui sous-évaluent fortement les possibilités du pieu (fig. 2 - courbe 2). Des mesures correctes L'essai de pieu ne peut être improvisé et il est bon que le chantier soit préparé et dirigé par un spécialiste. Fig. 2 - Courbes types de chargement. Le massif de réaction : Il joue un rôle très important, mais est hélas souvent imposé par des conditions de crédits, de délais, d'accès, de manutention, de disponibilité de matériel, etc. I64

5 Chaque fois que le sol de surface le permet, il est préférable d'utiliser des massifs de réaction «poids» plutôt que des ancrages. Ces derniers sont onéreux et nécessitent des délais supplémentaires. De plus, on connaît mal leur influence sur le pieu lui-même et, en cours d'essai, il peut être nécessaire de rattraper les déplacements excessifs de certains ancrages. Si la réaction est prise sur les pieux voisins de l'ouvrage, il est intéressant d'exploiter l'information qui peut être ainsi obtenue (fig. 3). Les massifs de réaction «poids» ne doivent pas être improvisés : des entreprises spécialisées disposent de massifs bien conçus, stables et surtout au platelage rigide, ce qui permet de solliciter au mieux la réaction en toute sécurité (fig. 4). Il faut, dans la mesure du possible, proscrire les édifices comme ceux des figures 5 et 6. Dans le cas présenté par la figure 6, l'essai dut être momentanément interrompu durant la nuit ; du fait de craquements inquiétants dans l'amas de palplanches. a) vue d'ensemble du chantiei b) vue de détail Fig. 4 - Un massif de réaction bien conçu - Chargement de la cuve. Fig. 3 - Essai de pieu avec réaction sur les pieux voisins de l'ouvrage. 65

6 Fig. 5 et 6 - Massifs de réaction improvisés. Les bases fixes (ou bases de mesure) : Il est vain de disposer de comparateurs au /00 de millimètre, si les bases de mesures ne sont pas rigoureusement fixes ; c'est une des conditions essentielles de la réussite de l'essai si l'on veut obtenir la charge de fluage (mesure de l'enfoncement au /0 de millimètre près). Les fluctuations des bases de mesure peuvent provenir : a) de leur flexibilité propre (effet du vent) ou des effets thermiques : Fig. 7 - Bases «fixes» - Dispositifs à proscrire. Des dispositifs tels que celui de la figure y sont donc à rejeter : il est dérisoire lorsque l'on songe que cet essai a coûté par ailleurs près de francs (964). Les bases fixes de l'essai de la figure 6 reposaient sur le rideau de palplanches : la mesure a été grandement affectée par les dilatations thermiques du rideau. La figure 8 représente un essai sur pieu métallique. Les bases fixes sont constituées par quatre madriers liés, deux à deux, par boulonnage et reposant sur le sol par l'intermédiaire de poteaux fichés en terre à trois mètres de profondeur. Des cornières perforées servent de support aux palpeurs, les comparateurs étant fixés au pieu à l'aide d'une collerette. L'utilisation de madriers semble intéressante car elle supprime les dilatations thermiques et permet de fixer aisément les comparateurs. Fig. 8 - Essai de pieu métallique - Bases fixes et supports de comparateurs (4 comparateurs verticaux et 2 comparateurs pour les mouvements horizontaux parasites). b) du mouvement du sol sur lequel elles reposent -. enfoncement du sol autour du pieu en surface dans la première phase AB (collage entre le pieu et le sol) ; remontée du sol au voisinage des camarteaux lorsque la réaction est transférée sur le pieu. 66

7 J. Fig. 9 Autre disposition pour les bases fixes. Fig. 0 - Dispositif de contrôle des bases de mesure. La figure ç montre un dispositif simple : les deux poutrelles métalliques sont liées au pieu. Les supports de comparateurs sont cependant trop tributaires des mouvements du sol en surface. pis * a3e rigide Il faut donc toujours vérifier la fixité des bases de mesure soit par nivellement, soit plutôt comme indiqué à la figure 0. Ce dernier dispositif doit cependant être réservé aux massifs de réaction très importants (500 à 600 tonnes) reposant sur des sols médiocres. fêêêmm û Camarteaux i g RM I Dispositif decontrol* des La figure u montre une courbe de chargement obtenue au cours d'un essai durant lequel les bases de mesure ont manifestement bougé. La courbe est inexploitable pour l'évaluation de la charge de fluage. S'agissant d'un pieu flottant, c'est une lacune grave. bases démesure Le vérin : La connaissance précise des charges appliquées au pieu impose de placer, en série, des manomètres rigoureusement étalonnés de différentes sensibilités. La charge doit, en outre, être parfaitement centrée sous le massif de réaction et sur le pieu. Un mauvais centrage peut conduire à des courbes d'allure «arrondie» et, lors du déchargement, on note parfois des remontées très importantes de la tête à l'enlèvement des dernières charges (fig. 2). Pour pallier cet inconvénient, il est nécessaire que le vérin soit muni d'une rotule et que l'on ait procédé, la veille de l'essai, à un premier chargement, très léger, afin de vérifier le bon centrage de la charge sur le pieu. E * E Charges en tête Q,en tonnes , Valeurs corrigées du mouvement des bases de référence S + Il est recommandé de disposer de deux comparateurs pour mesurer les déplacements horizontaux de la tête du pieu. _ Valeurs non corrigées Fig. - Courbes de chargement d'un pieu. Influence du mouvement des bases de référence. 67 t-

8 ' C harges en tete <J,en tonnes N. i V VI appliquée par incréments de 25, 50, 75, 00, 25, 50, 75 et 200 % de cette charge supposée. Les enfoncements doivent être mesurés avec une précision de /00 de pouce avant et après l'application d'un nouvel incrément de charge... On n'appliquera pas de nouvelle charge tant que le tassement ne sera pas inférieur à /00 de pouce en une heure ou alors au bout de deux heures...» Chargement progressif, avec déchargements intermédiaires i s. t V Fig. 2 Courbes de chargement et de déchargement. Influence de l'excentrement. Programmes de chargement Le programme de chargement, c'est-à-dire la loi de variation des charges en fonction du temps, a certainement une influence sur la courbe charges-enfoncements, au moins dans les phases précédant le déchargement. Il est évident que les enfoncements seront fonction de la durée d'application des paliers. Il est également reconnu que, lorsqu'on décharge complètement un pieu, les contraintes dans le fût ne s'annulent pas instantanément : le frottement latéral peut agir en sens inverse et s'opposer à la décompression du fût. Il existe cependant un grand nombre de programmes de chargement. On peut en distinguer trois types : - En cours de chargement, on peut procéder à un ou plusieurs déchargements complets intermédiaires. La règle D.T.U. [] déjà citée, préconise un déchargement complet intermédiaire. La règle D.I.N. [] ainsi que Chellis [2] recommandent, comme de nombreux auteurs, des déchargements complets en nombre suffisant pour pouvoir tracer la courbe des enfoncements permanents (f'9-3). Programmes particuliers Il s'agit d'appliquer sur le pieu des charges de telle façon que la charge de fluage soit nettement matérialisée. C'est la méthode de Van Weele [3] (appliquée avec succès au pont d'oissel [9]) ou de Szechy [4]. Ces méthodes sont malheureusement assez difficiles de réalisation et nécessitent des mesures très sérieuses. D'autres auteurs préconisent de simuler l'action de l'ouvrage sur le pieu : chargement progressif jusqu'au poids propre, puis cycles successifs de chargement du poids propre à la charge maximale. Mais, quel que soit le programme adopté, on se heurte toujours à la même difficulté qui est l'exploi- Chargement progressif C'est le programme le plus simple. Le pieu est chargé progressivement par palier jusqu'à la limite ou jusqu'à une charge préalablement définie, égale généralement au double de la charge nominale. On peut faire varier la durée des paliers ou l'incrément de charge : plus les paliers seront nombreux, plus les courbes de chargement seront détaillées. Les critères, pour passer d'un palier au suivant, sont très variables : soit que la durée des paliers est constante, soit que l'on adopte un critère d'enfoncement limite. La norme A.S.T.M. [0] fait partie de cette catégorie : «La charge maximale totale doit être le double de la charge de travail supposée du pieu. Elle doit être Temp3,en heures '20, Charges,en tonnes Fig. 3 - Programme de chargement et représentation (d'après Chellis). 68

9 tation de l'essai. Il n'existe que des règles empiriques pour exploiter les essais de chargements qui sont basées : soit sur l'enfoncement total sous charge, soit à partir de l'enfoncement rémanent après déchargement complet, soit à partir de vitesses d'enfoncements, etc. Aux Etats-Unis, des règles de ce genre sont très courantes. L'ouvrage de Chellis [2] en donne quelques-unes : déterminer la charge pour laquelle l'enfoncement total n'excède pas 6 mm en 48 heures et utiliser un coefficient de sécurité de 2 (Louisiana Department of Highways) ; considérer la charge qui provoque un accroissement de l'enfoncement disproportionné avec l'augmentation de la charge et appliquer un coefficient de sécurité de 2 (Los Angeles Building Code) ; la charge maximale sera le double de la charge nominale supposée et elle sera maintenue constante, pendant au moins 24 heures, jusqu'à ce que l'enfoncement ne dépasse pas 5,6 mm. La charge de travail adoptée ne dépassera pas la moitié de la dernière charge d'essai pour laquelle n'apparaît aucun signe de «rupture» sur la courbe charges-enfoncements et l'enfoncement résiduel en tête, après déchargement complet, ne devra pas dépasser 2 mm (Boston Building Code). Fletcher [5] s'est livré à une étude de seize règlements différents. Les analogies entre les règlements sont les suivantes : un coefficient de sécurité de 2 est appliqué dans tous les cas, la charge d'essai atteint toujours 200 % de la charge nominale, quatorze règlements sur seize utilisent l'enfoncement permanent. Par contre, les divergences sont importantes : dix règlements limitent l'enfoncement à /00 de pouce par tonne. Les autres règlements sont plus restrictifs ; les enfoncements limites sont choisis arbitrairement et varient dans des proportions importantes depuis /4 de pouce ; généralement, on impose un temps durant lequel aucun enfoncement n'est toléré sous la charge totale mais la durée de cette période varie de 6 à 48 heures. L'auteur a ensuite appliqué ces seize règlements à un essai de pieu particulier : cinq règlements conduisaient à un rejet du pieu, dix lui assignaient une portance de 60 à 75 tonnes, un seul admettait 00 tonnes. On voit clairement la difficulté de telles formules : elles sont peut-être acceptables dans des zones localisées ou dans des sols particuliers mais leur extrapolation hâtive à n'importe quel essai peut conduire à des résultats aberrants. C'est pourquoi, certains auteurs ont tenté de rationaliser la méthode d'exploitation pour les chargements progressifs avec ou sans déchargements intermédiaires [6-7] : comme la courbe charges-déplacements ne présente pas toujours une charge de fluage nette, on tente d'obtenir cette valeur par construction graphique. Pour cela, on porte sur un diagramme, pour chaque palier, l'enfoncement en fonction du logarithme du temps (fig. 4a). Au bout d'un certain temps, les points représentatifs sont alignés. On calcule la pente des droites correspondantes (appelées parfois droites de stabilisation) et on porte sur un autre graphique (fig. 4b) ces pentes en fonction de la charge en tête. Le diagramme correspondant présente, en général, deux parties linéaires : l'intersection de ces deux parties est la charge de fluage Q F. Mais cette méthode est, elle-même, parfois défaillante car les points représentatifs ne se distribuent pas toujours comme l'indique la figure 4b. Bien souvent la dispersion peut être mise sur le compte de mesures douteuses (fluctuation des bases de mesure) ou de-paliers de durées trop inégales. On rencontre aussi de nombreux graphiques présentant trois parties droites (fig. 4c). De tels essais ne sont pas interprétables seuls ; ils nécessitent un examen comparatif avec les essais de mécanique des sols. Des mesures des efforts dans le fût du pieu auraient été, dans ce cas, de la plus grande utilité : pour la figure 4c, il serait en effet trop expéditif de placer la charge de fluage vers 50 tonnes. LE MODE OPERATOIRE DU L.C.P.C. L'idée de base qui a guidé le G.E.E.S.F.O.P. dans l'élaboration de ce mode opératoire est la standardisation, étant donné la prolifération des méthodes actuellement utilisées. En dépit de tentatives récentes [8], la prévision du comportement des fondations profondes est toujours difficile et des règles empiriques seront longtemps encore nécessaires : il faudra procéder par corrélations entre les essais géotechniques habituels (essais en place et en laboratoire) et les résultats d'essais de chargements. 69

10 igt Mais, pour que des corrélations soient valables, les méthodes d'essais géotechniques et d'essais de pieux doivent être clairement définies et surtout respectées. Or, pour qu'un mode opératoire soit respecté, il faut qu'il soit simple. Préparation de l'essai Cette phase est très importante car elle conditionne le succès de l'essai lui-même. Elle ne peut que suivre l'étude géotechnique. Elle nécessite le conseil d'un ingénieur spécialisé, qui doit contrôler la confection du pieu d'essai et définir les caractéristiques géométriques à respecter pour la mise en place du dispositif de réaction et des appareils de mesure. a) droites de stabilisation Le vérin doit être muni d'une rotule, d'une vis de blocage et ses caractéristiques (dimension, section utile et section d'embase) doivent être connues. La pompe hydraulique, qui peut être manuelle, doit être équipée d'une rampe de manomètres de diverses sensibilités, correctement étalonnés. Ç> G>2 etc Q F Charges b) Q F : intersection de deux parties linéaires Les mesures des déplacements de la tête du pieu se font : à l'aide de quatre comparateurs au /00 de millimètre de 5 centimètres de course pour les déplacements verticaux et deux comparateurs identiques pour les déplacements horizontaux parasites ; à l'aide d'un niveau optique qui permet également de contrôler les mouvements du massif de réaction et des bases de mesures ; à l'aide d'un réglet (fixé au pieu) qui se déplace devant une pointe sèche (liée aux bases fixes) et qui prend le relais des comparateurs lorsque la course de ceux-ci est dépassée. L'utilisation de flexigraphes n'est pas indispensable. Un schéma de principe du montage est indiqué à la figure 75. Délais de repos Sauf cas particuliers, la règle suivante est appliquée : Sables compacts Limons et sables lâches saturés Argiles Pieux exécutés en place mois mois mois Charges,en tonnes c) trois parties linéaires, non interprétables seules Pieux battus 8 jours 20 jours mois par cons Fig. 4 - Recherche de la charge de fluage QF truction graphique. Inversement, il n'est pas conseillé de laisser s'écouler plus de 3 à 6 mois entre la mise en place du pieu et l'essai statique. 70

11 ni» Programme de chargement Le programme de chargement a été conçu de façon telle que : - la durée de l'essai proprement dit n'excède pas une semaine (amenée et retrait du matériel de mesure compris). 2 - qu'il n'y ait pas de trop grande divergence avec la seule règle existant en France à notre connaissance : la règle D.T.U. []. de pouvoir éventuellement recentrer judicieusement la charge et de rattraper la remontée des ancrages de réaction. 0 Q N 3 - que l'essai soit simple et laisse peu de place à des variantes souvent inopportunes. Le programme comporte deux cycles (fig. 6), basés sur la charge nominale ON déduite de l'étude géotechnique préalable. Ceci présente l'avantage : de libérer le personnel durant la nuit ; de décharger complètement le pieu, donc de connaître l'enfoncement permanent sous la charge nominale Q N ; Fig Temps 6 - Programme de chargement du mode opératoire L.CP.C. 7

12 L'inconvénient est connu : on ne sait pas déterminer l'influence exacte du premier cycle sur le second (contraintes résiduelles dans le fût avant le nouveau chargement). La charge maximale demandée est -2 Q N. Dans bien des cas, le domaine limite ne sera pas atteint. Cependant, imposer une charge plus élevée conduirait à des dépenses prohibitives pour la confection des dispositifs de réaction. Pour un cycle donné, les paliers seront de durée rigoureusement égale ; pour le premier cycle, leur durée sera de h 30. Les incréments de charge seront constants durant tout l'essai et égaux à ON/5. Là se situent les différences principales avec les règles D.T.U. dans lesquelles la durée des paliers est variable : «On admet que la stabilisation est obtenue quand l'enfoncement du pieu pendant une heure est inférieure au /5 000 de son diamètre ou de son côté.» Outre l'arbitraire de cette règle, l'expérience a montré qu'il était préférable d'adopter, a priori, une durée constante pour tous les paliers : procéder d'une autre manière serait introduire un risque supplémentaire de dispersion. Il est évident que la durée d'application d'une charge est un élément important dans l'amplitude de la déformation. Réaliser un palier de 0 minutes entre deux paliers d'une heure, par exemple, serait inscrire automatiquement une discontinuité dans la courbe chargesenfoncements en tête (fig. 7) C harges en tonne s i faner maintenu trop peu de temps y -v s / (par exemple, pieux dans des argiles raides ou dans des marnes). C'est seulement alors qu'il sera possible de juger si le fait de charger rapidement un pieu nuit à son comportement et il en sera tenu compte dans les règles d'exploitation de l'essai standard. Les résultats obtenus en cours d'essai seront consignés sur une fiche d'essai, dont le fac-similé est présenté par la figure 8. A cette fiche doivent être jointes toutes les courbes utiles à l'exploitation complète de l'essai (courbes de battage éventuelles, etc.) et obligatoirement la feuille d'essais par sondage précédemment mise au point par le Laboratoire Centra! (feuille qui récapitule tous les essais de sols faits au voisinage du pieu d'essai). CONCLUSIONS La G.E.E.S.F.O.P. propose un projet de mode opératoire pour l'essai statique de fondations profondes qui définit des règles minimales à respecter. Si ces règles élémentaires n'étaient pas respectées, il serait préférable de renoncer à cet essai, et de procéder à des sondages et essais de sols complémentaires, car si l'essai de pieu est coûteux, rien n'est plus coûteux qu'un essai inexploitable. ha méthode standardisée proposée devrait permettre d'établir des règles sûres pour l'exploitation des essais. L'examen comparatif de nombreux essais permettra de proposer des règles basées sur les critères suivants : charge limite Q L ou charge maximale de l'essai 2Q N ; charge de fluage Q F ; enfoncement total et enfoncement permanent (ou rapport entre ces deux valeurs) pour les charges ON et2q N - Provisoirement, on pourra adopter comme charge nominale réelle du pieu testé la plus faible des deux valeurs suivantes : LU Fig Influence de la durée du palier sur l'enfoncement de la tête du pieu. Et puis au-delà de la charge de fluage, lorsque l'enfoncement au cours du temps devient important, quel critère adopter pour passer au palier suivant? Chaque fois que cela sera possible et intéressant, il sera recommandé de réaliser un second essai de chargement avec des paliers beaucoup plus longs 2,5 < N < 2 sous réserve que la charge Q L soit véritablement la charge limite (valeur asymptotlque à la courbe charges en tête-enfoncements ou charge qui correspond à un enfoncement du pieu égal au /0 de son diamètre) ; et QF,6 < O 9 f ON < y 2_ où QF est la charge de fluage qui sera définie, soit directement sur la courbe charges en tête-enfoncements, soit à partir du diagramme des pentes des droites de stabilisation. 72

13 li Fig. 8 MINISTERE DE L'EQUIPEMENT ET DU LOGEMENT LABORATOIRE CENTRAL des PONTS et CHAUSSEES G.E.E.S.F.O.P. PIECES - FEUILLE D'ESSAI PAR SONDAGE JOINTES FICHE D'ESSAI STATIQUE DE CHARGEMENT N TY P E D'ESSAI Chargement statique de pieu OUVRAGE A U T O R O U T E CARACTERISTIQUES DE L'OUVRAGE P 5 largeur 22 metres L travées I - k,l U.k- mètrp<; I TYPE DE FONDATION Pieu» fore's à tube re'cuppré ffl U r m Pt <ti 56cm MAITRE D'ŒUVRE Ministère de l'équipement BUREAU D'ETUDE SE.T.RA CONSEIL FONDATIONS. ENTREPRISE DE FORAGES ET D'ESSAIS DE SOL. ENTREPRISE FONDATIONS ENTREPRISE OUVRAGE COUT TOTAL DE L'OUVPAGE. COUT DES FONDATIONS COUT DE L'ESSAI. OBSERVATIONS SCHEMA D'IMPLANTATION DES APPUIS, DE L'ESSAI STATIQUE ET DES ESSAIS GEOTECHNIQUES SCHEMA DE Appui N 3 L'APPUI Echelle /250 Echelle / 500 O CHARGE DE SERVICE POUR L'APPUI SUR LEQUEL EST FAIT L'ESSAI : 75 fnnnpii Q Pieu d'essai DONT 50 tonnes MANENTE DE CHARGE PER Q Pressioni être 9 Sondage carotté NOMBRE rie Pieu».POUR L'APPUI INTERESSE: 8

14 - Tube bat. t u Matériaux extraits à la soupape -Bétonnage par tube plongeur jusqu'au niveau du sol, puis remontée du tube, le béton étant vibré simultanément. ' ArdiU Ciment CIK -Armatures : 350 kg Grave ^rgilcuac 0 mp ICt4-5 <è 2 HA sur circonférence Q> 300 mm - spires $ 6 au pas de 50 mm Charge intrinsèque 75 tonnes Aroilt Grave pro?(«(i) identification : à partir des matériaux extraits à la soupape argile w L = 60 I? = 32 w * 35 '4 grave argileuse w L =30 I 3 = T2 w 5 % (2) Essais pressiométriques (valeurs moyennes) : pressiomètre standard type E Forage à la tarière à main à injection, puis carottier battu <b 63 argile * 4 bars E = 50 bars grave argileuse Pj ~ 8 bars F. = 70 bars grave propre Pj si 0 bars E = 90 bars (3) Essais en laboratoire à partir de sondages carottés de 0 à 6 mètres Carottier battu V = T.,85 t/m3 Y =2,65 Triaxial : essai non consolidé non drainé C u =0,5 bar tedomètre C c =0,20 e 0 =0,75 ^ / ^ =3 Calcul de la charge nominale Méthode pressiométrique : a. charge limite en pointe K = 5,2 q = 7 tonnes b frottement amélioré sur 3 diamètres à partir de la base (s =,5 bar) Qpj = 24 tonnes frottement latéral normal (s 0,5 i)ar) '^'c"2 ~ tonnes soit avec 3 de sécurité sur la pointe et 2 au frottement latéral Qfj = 75 tonnes

15 MATS oí Jl&U/éMT/û// J7_ 9 I list ~n/icac JUT. 9 6 _ /fat J2/ Z- />// SSA/ _ W I 0 9S» MASSIF de if FACTION Itmmìiìfde. réaction eut tnnttìlui. al une cuve rempli'*, dispam^tuñun plitclage. en bäswmgs rt/asant 'es ipa/^ le. taut plac JUAZ tdmarteaux, / alise* par alea maalrìer* e.f a/et p/trztl Lipipe dei ele. hitan If taction disponible. ZoaJt^ / finn ole 2oot AUmtnhatioa-i- pompe manuelle* tfeswe eli ftttilsian juaf^manomktre. Misure <Je.-jdtpl3ceme.nr-i 6comparateurs au it/oa*- - /- / Nit eau i Difht.tamt.trJL- JYC. ay Sy/oo*' S tf M I " u Pot Iff I Lf II N 2 to, *l lp Irl r-c ' "X = P lutr r 2r N 3C 0 / llz nt r tmp i»l»«* i nt r tmp i»l / / - J7e m m nl. v M h i J7e m m nl. l> lai K i l X - r i >*. ftt su ppo > ^> i» í y j s cun Ipil rs Coir par Si rs ^ u j s r 4- I J' J r MI Fl txir, rmp F Ha itcu r dc Cl m a tta ux J,7! m mini,«m TttX I -- - T No J. k 's ' e< -i - T' a V II c C i - - V 0 m D«tl«ctom««r«JYC T

16 AU/SA 4y 2 4 4y «kr *% 4 4S. IS So 6o 7S 5 3o 4S So 75 9o ios fio f3s S< no 9o S7ir,r,*a) t </i m r/i f/l -/ *n i ffl "?t m % f/l f/x l 0,5,7 2, ,6 S3 3.9 */* i~,o S-,7 6,7 a, 3 (0,4 w 7 t6,3 íf.s, i 9 f. /o S to 7S 9o»S» f fft ro t &t 3S < ÇF < ÍAS rotm±sl 'trtjêl xyu/f/- fait íjan.t des c arlaíltiajis normales, ^ /tsn/ ahnifiggrnir nij petjh prendra Linr. seeunh e/t -/» fur OF soi/- <? A fannt.s

17 La marge sur la sécurité est faite pour tenir compte : de la «fiabilité» des mesures ; du délai de repos qui fluctue nécessairement autour de limites très larges ; de la nature des charges que le pieu aura à supporter (augmenter la sécurité vers,6 si des vibrations ou des fluctuations de charge très importantes sont possibles). De toute manière, jamais un essai de pieu ne peut être exploité seul. Il faut systématiquement tenir compte de l'étude de sol. Une fois adoptée la charge nominale ON réelle du pieu, on aura la charge admissible QA en prenant en compte l'effet de groupe et les tassements de groupe qui ne sont pas mis en évidence par l'essai rapide sur pieu isolé. Dans certains cas particuliers (silos, réservoirs, etc.), il pourra être intéressant de réaliser des programmes de chargements avec de nombreux déchargements intermédiaires complets. Il sera alors souhaitable de réaliser également (si les crédits le permettent), le mode opératoire standard qui vient d'être défini. De même, on ne peut qu'encourager la mise en place de capteurs dans le fût du pieu et dans le sol (capteurs de contraintes et de déplacements). Ces mesures sont onéreuses et très délicates mais ce sont vraiment les seules qui permettront de faire avancer la connaissance du comportement des fondations profondes [8]. B I B L I O G R A P H I E Travaux de fondations profondes pour le bâtiment, Document Technique Unifié (D.T.U.), 32 (mars 966). 2J J. JEZEQUEL, Le Groupe d'etude d'essais Statiques de Fondations Profondes (G.E.E.S.F.O.P.), Bull, de Liaison des Labo. Routiers des P. et C, 24 (marsavril 967), I, -9. F3J L. MENARD, Calcul de la force portante des fondations sur la base des résultats des essais pressiométriques, Sols Soils, 5 (juin 963). 4J TOMLINSON, The adhésion of piles driven in Clay Soils, C.R. du 4 Congrès International de Mécanique des Sols et des Travaux de Fondations (Londres - 957». [5] A. CAQUOT et J. KÉRISEL, Traité de Mécanique des Sols, Gauthier-Villars, 4 e Ed. (966). 6 B.BROMS, Methods of ralculating the Ultimate Bearing Capacity of Piles, Sols Soils, 8 (966); 7 M. ADAM, J. JEZEQUEL et J. MARCHAL, Terminologie en matière de fondations profondes, Bull, de Liaison des Labo. Routiers des P. et C, 33 (août-sept. 968), [8j H. CAMBEFORT, Essai sur le comportement en terrain homogène des pieux isolés et des groupes de pieux, Annales de l'i.t.b.t.p., 204 (fév. 964). 9] ). PASTUREL, Essais de chargements de pieux dans la craie altérée, Bull, de liaison des Labo. Routiers des P. et C. 29 (janv.-fév. 968), 6, -24. [0J Projet de méthode d'essai concernant la relation charge-tassement pour des pieux isolés chargés de façon verticale et cintrée, A.S.T.M., Réf. D II 43 6 T (950). LU] Charge admissible des fondations, Règle D.I.N., 054. [2 R.D. CHELLIS, repris dans l'ouvrage de G.A. LEO NARDS, Les fondations, Dunod (Paris, 968), VAN WEELE, A method of separating the bearing capacity of a fof est pile into skin friction and pointresistance, C.R. du 4 Congrès International de Mécanique des Sols et des Travaux de Fondations (Londres, 957).. [4) SZECHY, C.R. du 5' Congrès International de Mécanique des Sols et des Travaux de Fondations (Paris), Vol. 3 (96). [5 G.A. FLETCHER, Les essais de pieux et leur exploitation, Field Testing of Soils, ) H. CAMBEFORT et R. CHADEISSON, Critères pour l'évaluation de la force portante d'un pieu, C.R. du 6"' Congrès International de Mécanique des Sols et des Travaux de Fondations (Montréal - 965). f 7 L. A. PAREZ, Discussion, C.R. du 6' Congrès International de Mécanique des Sols et des Travaux de Fondations, 3 (Montréal - 965). [8] J. JEZEQUEL et J. MARCHAL, Mesure des contraintes dans les pieux, Bull, de Liaison des Labo. Routiers des P. et C, 42 (déc. 969),