ESSAIS DE PÉNÉTRATION STATIQUE ET NOUVELLE APPROCHE POUR LE CALCUL DES FONDATIONS PROFONDES

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1 ESSAIS DE PÉNÉTRATION STATIQUE ET NOUVELLE APPROCHE POUR LE CALCUL DES FONDATIONS PROFONDES CONE PENETRATION TESTS AND A NEW APPROACH FOR THE DESIGN OF THE DEEP FOUNDATIONS Patrick BERTHELOT 1, Frédéric DURAND 2 1 Bureau VERITAS, Paris, France 2 Fugro Géotechnique, Nanterre, France RÉSUMÉ Une nouvelle approche du calcul des fondations profondes est proposée à partir des résultats des essais de pénétration statique et tient compte des différentes catégories de sol déduites des abaques de Robertson. Des valeurs permettant de calculer à la fois la résistance limite mobilisable sous la pointe du pieu et le frottement latéral limite mobilisable le long du fût de pieu sont proposées. ABSTRACT A new approach for deep foundations calculations is proposed from the results of cone penetration test and involves the different classes of soils from Robertson graph. This proposes values which enable to calculate limiting resistance under the point of pile and also lateral friction along the pile shaft. 1. Introduction Dans le cadre de la rédaction des normes d application nationale il a été comparé les documents suivants : NEN 6743 calculs de pieux DUTCH Standard Fascicule 62 titre V DTU 13 2 norme (tableau IV d après Bustamante et Gianeselli) DTU 13 2 norme (tableau IVbis d après la commission des bureaux de contrôle) Article de G. Philipponnat diffusé dans la RFG n 10 de 1980 et dont est issu le tableau IVbis Annexe D de l Eurocode 7 partie 2 qui est informative mais qui traite des calculs de pieux sur la base des essais CPT CSTC rapport n 12 Directives pour l application de l Eurocode 7 en Belgique. 2. Classement de sol Il est proposé de distinguer 5 types de sol : 1. Sol à prédominance sableuse I cl < Sol à prédominance argileuse I cl > Sol intermédiaire 2.05 I cl 2.6 et 4. Les sols marneux correspondant à une teneur en carbonate (CaCO 3 ) supérieure à 30% 5. Les craies correspondant à une teneur en carbonate supérieure à 90%. 379

2 Pour les trois premiers types de sol la définition de l indice de classification I cl est calculé sur la base des résultats des essais CPT de la façon suivante : Détermination des frontières dans l abaque de Robertson (Robertson, 09) Avec Q T = (q c -σv0)/σ v0 (résistance de pointe normalisée) Avec F R = f s /(q c -σv0) (rapport de frottement normalisé) I cl est égal [(3.47-logQ T )²+(1.22+logF R )²] 0.5 (indice de classification) I cl représente les frontières, dont les équations sont des cercles, entre les différentes classes de sols dans l abaque de Robertson (figure 1 et tableau I). Il a été choisi les frontières suivantes : I cl < 2.05 correspond essentiellement aux sols S7 et S6 désignés «sols à prédominance sableuses» I cl > 2.6 correspond essentiellement aux sols S3 et S4 désignés «sols à prédominance argileuses» 2.05 I cl 2.6 correspond aux sols S5 désignés «sols intermédiaires» (sable silteux à argile sableuse). Tableau I. Classification de Robertson résistance de pointe équivalente normalisée QT ,1% 1,0 % 10,0 % rapport de frottement normalisé F R (%) 3 8 I cl = 2,05 9 I cl = 2,6 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 Sols fins argileux ou silts sensibles Sols organiques et tourbes Argiles à argiles silteuses Silts argileux à argiles silteuses Sables silteux à silts sableux Sables propres à sables silteux Sables à sables graveleux Sables cimentés ou dilatants Sols fins intermédiaires très raides Figure 1. Abaque de Robertson et I cl 3. Type de pieux Dans la norme hollandaise, il existe trois grandes familles de pieux regroupant 16 types de pieux : Battu ou avec refoulement, Battu avec faible refoulement, Avec substitution du sol (foré). 380

3 Par ailleurs on notera également qu il y a deux définitions de tarière continue (NEN 6743 et l annexe 7) «sans contrôle» et «avec contrôle». «Avec contrôle», le frottement latéral peut être amélioré si on prend les valeurs de résistance de pointe q c après exécution du pieu à la tarière creuse. Ce qui revient à vérifier que la tarière creuse n a pas «soutiré» de sable et altéré sa compacité. Bien que cette notion soit intéressante elle n a pas été retenue car elle ne correspond pas à une pratique habituelle en France. Pour être en conformité avec les normes européennes d exécution il n a été reconnu que deux grandes familles de pieux avec et sans refoulement du sol et 7 types de pieux : Avec refoulement : Battu préfabriqué béton Battu moulé sur place Vissé Battu métallique Sans refoulement : Tarière avec enregistrement Foré Injectés basse pression 4. Proposition de facteur de pointe Le terme de pointe à la base du pieu est du type q p = k c.q c avec : q c mesure de la résistance de pointe au pénétromètre statique électrique, q p résistance de pointe limite à la base du pieu, k c facteur de portance déduit du tableau II. terme de pointe caractéristiques minimales requises sol exclu Tableau II. Terme de pointe k c type de sol Prédominance Prédominance argileuse et sols sableuse intermédiaires Marne Craie q c > 1.5 MPa q c > 1.0 MPa q c > 1.0 MPa très lâche liquide à très mou / Mou / Plastique molle k c ( k c = q p /q c ) pieu battu pieu tarière continue pieu foré On notera que pour le terme de pointe les sols à prédominance sableuse et les sols intermédiaires ont été regroupés. 381

4 De même il a été proposé de fixer des caractéristiques minimales de valeurs de la résistance de pointe ce qui, de ce fait, exclu du calcul du terme de pointe les sols suivants : les sols à prédominance sableuse très lâches, les sols à prédominance argileuse et les sols intermédiaires liquides à très mous, plastiques, les marnes et les craies molles. 5. Proposition des courbes de frottement latéral Pour expliciter les courbes de frottement proposées nous allons détailler les courbes de frottement pour des sols à prédominance sableuse et pour les pieux battus béton et vissés (figure 2). q s en Sable et grave Béton et Battu et Vissé BPB (NEN 6743) BMP (NEN BPB (F 62) BPB (DTU B&G) BPB (DTU Ph) BPB(Belge) BMP(Belge) Vissé(Belge) q c en Figure 2. Courbes de frottement latéral dans les sables pour des pieux battus et vissés Dans notre proposition nous avons opté pour des courbes, ce qui évite tout problème de continuité. La courbe retenue est située en partie inférieure du fuseau des valeurs d études. Cette courbe est une parabole qui passe par zéro (dans le diagramme q s = f(q c ) et qui se raccorde au seuil q s max (avec une tangente horizontale). L équation est la suivante : 382

5 si q s max c c qc max : qs =. qc 2 (1) si qc > q : q q qs = q s max q q avec q s frottement latéral limite q valeur seuil égale à MPa pour les sols à prédominance sableuse q c résistance de pointe au CPT q s max seuil de frottement latéral qui dépend du type de pieu et du type de sol. Nous avons effectué une analyse pour tous les types de pieux soit pour les sols à prédominance sableuse les courbes de la figure 3 et les valeurs du tableau III. qs en kpa PROPOSITION dans les sols à prédominance Sableuse ICl< Lâche 5 Moy Très compact dense lâche Très dense qc en MPa BPB et BMP Métal Battu TC acec contrôle et injectés BP Foré et TC sans contrôle Figure 3. Courbes de frottement latéral pour les sables et graves et pour les différents types de pieux avec refoulement sans refoulement Tableau III. Valeurs seuils dans les sables et graves Sable I cl < 2.05 Type de pieux q s max (kpa) q (MPa) Béton préfabriqué battu 140 Battu moulé en place 140 Vissé 140 Battu métallique 90 Tarière continue avec contrôle 1 Tarière continue sans contrôle 80 Foré 80 Injecté basse pression 1 On notera également que nous avons arrêté les courbes aux sables très lâches (q c < 1.5 MPa). 383

6 Nous pouvons exprimer ces courbes de frottement latéral de la façon suivante : q s = α p,sol f sol (q c ), Avec α p,sol qui dépend du type de pieu α p,sol = 1 correspondant à un pieu qui «ne perturbe pas le sol», Et f sol (q c ) qui ne dépend que du sol (nature, compacité). Les avantages de cette solution sont les suivants : On sépare bien la partie réalisation de la partie conception et donc les responsabilités, Pour les pieux particuliers ou nouveaux pieux il suffit de définir le nouveau paramètre α p,sol. Donc on propose de généraliser ce principe à une courbe et celle des sables serait celle de la figure 4 et les valeurs du tableau IV. qs en kpa PROPOSITION dans les sols à prédominance Sableuse ICl< Très lâche Lâche Moy compact dense Très dense qc en MPa Figure 4. Courbe f sol (q c ) dans les sols à prédominance sableuse Tableau IV. Valeurs de α p,sol dans les sols à prédominance sableuse Icl < 2,05 Sable I cl < 2.05 Type de pieux α p,sol Béton préfabriqé battu 1.4 avec refoulement Battu moulé en place 1.4 Vissé 1.4 Battu métallique 0.9 Tarière continue avec contrôle 1.2 sans refoulement Tarière continue sans contrôle 0.8 Foré 0.8 Injecté basse pression 1.2 à définir nouveaux pieux au cas par cas 384

7 Cette analyse a été faite pour tous les autres types de pieux ainsi que pour les autres types de sol. Les équations des fonctions sont les suivantes : si qc q si qc q 100kPa q : fsol( qc) =. qc 2 qc max qc : fsol( qc max) = 100kPa c max (2) Avec q = MPa pour les sables, Avec q = 6 MPa pour les argiles, Avec q = 10 MPa pour les sols intermédiaires, Et q s max = α p,sol. 100kPa Avec f sol (q c ) définis suivant la figure 5 et α p,sol définis suivant le tableau V f sol (qc) qc en MPa sable Icl < 2.05 argile Icl > 2.6 sol intremédiaire 2.05< Icl <2.60 et Marne et Craie Figure 5. Graphe courbes f sol (q c ) 385

8 Tableau V. Valeurs α p,sol pour les différents types de pieux et de sols Indice de classification I cl < I cl 2.6 I cl > 2.6 Type de sol Sable Sol intermédiaire Argile Marne et Craie Type de pieux α p,sol α p,sol α p,sol α p,sol Béton préfabriqé battu 1.4 Battu moulé en avec place 1.4 refoulement Vissé Battu métallique ** sans refoulement Tarière continue (avec enregistrement) Foré ou 0.9 * 1.0 Injecté basse pression nouveaux pieux * foré rainuré à sec ** essai de pieu recommandé à définir au cas par cas Conclusions Cette proposition de mise en équation du frottement latéral avait déjà été présentée par M. Philipponat dans son article de Elle est également reprise dans le rapport CSTC n 12. Par ailleurs la classification selon les abaques de Robertson permet une interprétation plus aisée et plus fiable quant aux choix de la nature des matériaux. 7. Références bibliographiques Philipponat G. (1980) Méthode pratique de calcul d un pieu isolé à l aide du pénétromètre statique. RFG n 10, Robertson P.K. (09) Cone penetration testing for geotechnical Engineering. GREGG, California. NEN 6743 Dutch Standard, Calculs de pieux. NEN 6743 Dutch standard,calculation method for pile foundations, compression piles. CCTG Fascicule 62 Titre V (1993) Règles techniques de conception et de calculs des fondations des ouvrages de génie civil. NF P (Réf. DTU 13.2) (1992) Tableau IV d après Bustamante et Gianeselli NF P (Réf. DTU 13.2) (1992) Tableau IV d après la commission des bureaux de contrôle NF EN Annexe D (informative) (07) Essais de pénétration statique au cône et au piézocône. CSTC Rapport n 12 (09) Directives pour l application de l Eurocode 7 en Belgique. 386