SOLCYP : UN PROJET DE RECHERCHE SUR LE COMPORTEMENT DES PIEUX SOUMIS A DES SOLLICITATIONS CYCLIQUES

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1 SOLCYP : UN PROJET DE RECHERCHE SUR LE COMPORTEMENT DES PIEUX SOUMIS A DES SOLLICITATIONS CYCLIQUES SOLCYP : RESEARCH PROJECT ON THE BEHAVIOUR OF PILES SUBMITTED TO CYCLIC LOADING Alain PUECH (1), Jean CANOU (2), Christian BERNARDINI (3) (1) FUGRO France, Nanterre, France (2) Université Paris-Est, ENPC, Institut Navier, CERMES, Champs-sur-Marne, France (3) IREX, Paris, France RÉSUMÉ La communication présente les motivations et les objectifs du projet national de recherche SOLCYP centré sur l amélioration des connaissances du comportement des pieux de fondations sous sollicitations cycliques et leur prise en compte dans le dimensionnement des ouvrages de génie civil ou maritime. Le contenu technique et l organisation du projet sont décrits. ABSTRACT The paper presents the motivations and the objectives of the French National research project SOLCYP aimed at improving the current understanding of the behaviour of piles submitted to cyclic loading and developing appropriate design engineering procedures for application to foundations for onshore or nearshore structures. The technical content and the organisation of the project are described. 1. Introduction Des études exploratoires, menées dans le cadre d'un groupe de travail "Sollicitations cycliques en géotechnique" émanant du pôle de compétences "Sols" de l'irex, ont mis en évidence la pauvreté de la documentation technique française et européenne dans le domaine de la réponse des sols soumis à des sollicitations cycliques (hors sismique) alors même que les textes règlementaires (EUROCODE 7 notamment) recommandent leur prise en compte dans l ingénierie des fondations et que de nouveaux types de structures (éoliennes par exemple) sont sensibles à cette problématique. Un projet de recherche, dit projet SOLCYP, a été élaboré avec pour objectif de : - comprendre les phénomènes physiques régissant la réponse des pieux soumis à des sollicitations cycliques verticales ou horizontales ; - quantifier l effet de chargements cycliques sur la réponse et la capacité des pieux ; - définir une méthodologie d approche du comportement des pieux soumis à des chargements de nature cyclique ; - développer des méthodes d ingénierie dont la complexité de mise en œuvre devra rester compatible avec la nature des ouvrages et la sévérité des effets cycliques ; - effectuer un travail prénormatif en vue de l introduction dans la réglementation nationale de la méthodologie proposée et des méthodes de calcul associées. Le projet SOLCYP est constitué de deux volets complémentaires : - un premier volet dit ANR-SOLCYP ( ) financé par l Agence Nationale pour la Recherche, comportant essais de laboratoire avancés, essais sur modèles physiques (chambre d étalonnage et centrifugeuse) et modélisation numérique ; - un deuxième volet dit PN-SOLCYP, Projet National devant être financé par le RGCU (Réseau Génie Civil et Urbain), qui comportera des instrumentations de struc- 735

2 tures, des essais de pieux sur sites expérimentaux, le développement d essais géotechniques in situ pour la détermination des paramètres cycliques des sols. On présente ci-après les motivations et les objectifs du projet et on décrit son contenu technique et son organisation. L articulation et la complémentarité des volets ANR-SOLCYP et PN-SOLCYP sont précisées. 2. Motivations 2.1 Contexte et enjeux techniques La problématique des fondations profondes soumises à des sollicitations cycliques est attachée à une gamme importante d ouvrages et de sollicitations et actions associées. Les ouvrages concernés incluent notamment : - les structures supports légères (composante gravitaire faible) telles que par exemple : les pylônes de transport d énergie, les éoliennes terrestres ou offshore, les hydroliennes, les cheminées et tours de grande hauteur, etc. - les réservoirs soumis à des cycles de vidange/remplissage, - les ouvrages d art supportant les infrastructures de transport, notamment ponts ferroviaires, - les bâtiments industriels équipés de machines tournantes, vibrantes, etc. Les actions et sollicitations visées par le projet sont, en particulier, les suivantes : Actions/sollicitations environnementales : il s agit essentiellement des actions générées par le vent ou la houle. Elles sont caractérisées par un nombre de cycles «moyen» (100 à ), d amplitude moyenne à forte et de période de quelques secondes. Par extension, des sollicitations présentant un caractère de répétition marqué, avec une périodicité «journalière», pourront aussi être considérées (typiquement marées et courants de marées), dans la mesure où elles peuvent être décrites de manière analogue aux actions du type vent et houle. Actions/sollicitations industrielles : il s agit des sollicitations induites par les machines tournantes/vibrantes, les presses, les charges roulantes présentant un aspect marqué de «répétition» (ponts roulants, chariots, ) et les charges induites par le trafic sur les infrastructures de transport (transport routier, ferroviaire). Par extension, des sollicitations présentant un caractère de répétition marqué (de fréquence même faible) pourront aussi être considérées, telles que les opérations de vidange/remplissage de réservoirs. Les sollicitations industrielles visées correspondent à une gamme importantes d amplitudes, de fréquences et de nombre de cycles représentatifs, allant de petits nombres de cycles de grande amplitude (presses, ponts roulants, ) à de très grands nombres de cycles de faible amplitude (jusqu à plusieurs millions de cycles représentatifs : machines vibrantes, trafic routier ou ferroviaire). Un cas particulièrement intéressant est celui d ouvrages tels que les éoliennes et les hydroliennes, soumis simultanément à des actions environnementales (vent, houle, courants) et «industrielles» (rotation des pales). La problématique des sollicitations «cycliques» telles que définies ci-dessus est pratiquement ignorée dans le champ d activité du génie civil. Les seules exceptions notables sont le domaine pétrolier offshore et le domaine de la géotechnique routière. En particulier, il n existe pas de documents spécifiques (règles, normes, recommandations), au moins au plan national (et européen), permettant de prendre en compte ces sollicitations dans le processus de dimensionnement des systèmes de fondations profondes. Les règlements français tels que le DTU 13-2 (fondations de bâtiments) et le Fascicule 62 - Titre V (fondations de génie civil) mentionnent le risque lié à l existence de sollicitations «cycliques» (en 736

3 particulier dans le cas de tractions) mais sans donner d éléments précis sur la manière de les prendre en compte. Il en est de même pour l Eurocode 7. En pratique, le concepteur est amené à adopter des coefficients de sécurité forfaitairement majorés, de manière à prendre en compte de manière globale ces actions cycliques, sans vraiment savoir où l on se situe par rapport au comportement et à la sécurité de l ouvrage. On est loin d une démarche satisfaisante. Il existe une demande professionnelle forte pour : - développer des approches/méthodes permettant d aborder de manière rationnelle le calcul et le dimensionnement des fondations profondes d ouvrages soumis à des sollicitations cycliques ; - d élaborer des documents/recommandations spécifiques qui devront être cohérents avec les documents règlementaires existants (Fascicule 62, Eurocode 7), tout en les complétant et les améliorant dans le cadre des sollicitations cycliques. 2.1 Contexte et enjeux scientifiques De nombreux travaux dans le domaine des fondations sous chargement cyclique (de houle) ont été menés dans le secteur pétrolier offshore au cours des années quatre vingt et quatre vingt dix. On citera en particulier les travaux de l école australienne (équipes des professeurs Poulos (1988,1989) et Randolph (2005)) et de l école norvégienne (entre autres, Andersen et al. (1980, 1988), Karlsrud et al. (1987)). En France on peut faire référence aux travaux de l IFP et du CLAROM (Puech et Jezequel, 1980). On peut aussi mentionner les travaux de l équipe du Professeur Jardine à Imperial College au Royaume Uni (Jardine and Chow, 1996). Ces travaux ont débouché essentiellement sur : - le développement des méthodes de courbes de transfert (sous charges latérales : P-Y et sous charges axiales: T-Z) avec notamment la notion de courbe enveloppe cyclique pour les chargements latéraux ; - la mise au point de procédures détaillées d estimation de la résistance cyclique des sols basées sur le concept de diagrammes contours, établis à partir d essais de laboratoire spéciaux sur différents chemins de sollicitation, destinés à reproduire les chemins suivis dans le sol de fondation, et combinés avec la notion de cumul d endommagement du matériau. Ces méthodes sont appliquées aux fondations gravitaires, aux pieux sous chargement axial et aux caissons à succion. Il sera important de s appuyer sur ces acquis pour progresser sur cette même problématique dans le domaine de la géotechnique terrestre. Toutefois une simple transposition n est pas possible car : - les modes de sollicitation cyclique envisagés sont plus variés et plus complexes que la seule houle supposée sinusoïdale avec une période type de 10 s ; - les types de pieux sont également différents et ne se limitent pas au seul pieu métallique battu utilisé en offshore ; - l implantation des structures offshore nécessite des reconnaissances géotechniques lourdes (sondages carottés, essais de laboratoire spéciaux) qui ne pourraient être mises en œuvre en sites terrestres que pour des ouvrages exceptionnels. Des méthodes simplifiées sont souhaitables et nécessaires pour tous les cas courants. 2.3 Contexte et enjeux économiques La finalité du projet SOLCYP est clairement (1) d accroître la fiabilité des ouvrages (meilleure maîtrise de la sécurité), (2) d améliorer leur durabilité (réduction des ris- 737

4 ques de pathologie, à moyen et long termes) et (3) optimiser les coûts de réalisation (dimensionnements affinés). Le projet intéresse les secteurs de l'énergie (EDF, production, transport), des infrastructures de transport (RFF), des grands réservoirs (hydrocarbures, ), des ouvrages légers de grande hauteur (cheminées, tours de réfrigération ou de craquage). Ces secteurs sont très actifs et génèrent des chiffres d affaires importants tant au plan national qu international. L'amélioration des méthodes de calcul et de dimensionnement des fondations de ces ouvrages, va entraîner des gains économiques et socio-économiques importants par les effets suivants : - des dimensionnements plus rationnels et fiables, permettront de réduire les coefficients de sécurité et d'optimiser la taille des fondations ; ils permettront aussi, pour certains types d'ouvrages (pylônes, éoliennes, ), de remplacer des fondations massives par des pieux ou micropieux, générant des réductions de coûts significatives au niveau de la construction des ouvrages ; - la réduction des risques de pathologie et de désordres sur les ouvrages entraînera des gains substantiels en termes de coûts d'entretien et de réparation éventuels ainsi que (et peut-être surtout) en termes de pertes d exploitation liées aux arrêts de fonctionnement des ouvrages. Les pathologies associées à la problématique des sollicitations cycliques ne sont pas toujours très spectaculaires mais elles engendrent souvent des désordres susceptibles d entraîner des dysfonctionnements significatifs (tassements différentiels, fissurations, orniérages) - l augmentation de la durée de vie des ouvrages se traduira par une meilleure rentabilité des investissements. Le marché des éoliennes est un domaine en pleine expansion. On estime que l objectif du protocole de Kyoto (produire 21% d énergie renouvelable en 2010) devrait générer avant cette date l installation d une puissance éolienne de 50GW correspondant à turbines dans 14 pays. Actuellement le coût moyen d une éolienne installée dans une dizaine de mètres d eau est estimé à /kw soit environ deux fois le coût d une éolienne terrestre. On estime que la part des fondations représente, en mer, environ 30% du coût global soit environ 50 millions d euros pour 100MW installés. En France on s intéresse actuellement à des champs offshore de plusieurs centaines de MW dans des profondeurs d eau de 30m et plus. Dans ces conditions, les structures tripodes (structures en treillis métallique fixées par des pieux) vont remplacer les concepts actuels de monopodes et embases gravitaires. Le coût unitaire des fondations devrait s accroître de l ordre de 50% par rapport aux coûts antérieurs. Optimiser le dimensionnement des fondations de ces ouvrages présente un intérêt économique évident. 2.4 Contexte et enjeux environnementaux Au plan environnemental, les éléments suivants peuvent être mis en avant : - la meilleure maîtrise de la sécurité des fondations d'ouvrages soumis à des sollicitations cycliques devrait se traduire par la mise en oeuvre de systèmes de fondations optimisés et moins demandeurs en matériaux de construction (béton). - l'augmentation de la durée de vie des ouvrages liée à l'amélioration des performances de leurs fondations devrait réduire leur impact environnemental en terme de fréquence plus faible de réhabilitation / rénovation /reconstruction ; - la réduction prévisible des pathologies importantes (rupture) va dans le sens d'une diminution de l'impact environnemental en termes de risques induits (rupture de réservoir induisant des pollutions par exemple) ; - dans le cadre du développement durable, les résultats du projet bénéficieront aux ouvrages pilotes que sont les éoliennes et les hydroliennes. En permettant l'implanta- 738

5 tion de tels ouvrages sur des sites où les conditions de sol pourraient être considérées comme rédhibitoires, ils participeront à la promotion des énergies renouvelables. 3. Objectifs du projet SOLCYP L étude préparatoire a montré que les paramètres influant sur la réponse cyclique des sols sont trop nombreux pour espérer traiter, dans le cadre d une action de recherche limitée dans le temps et dans le financement alloué, la problématique du comportement des pieux sous charges cycliques de manière exhaustive. Le périmètre du projet a été circonscrit de manière à : - concentrer les efforts sur les types d ouvrages et de sollicitations les plus significatifs ; - réduire les paramètres d étude de manière à pouvoir garantir un aboutissement du projet dans son ensemble pour les aspects envisagés. On s intéressera donc : - à des chargements cycliques verticaux ou horizontaux appliqués en tête des pieux ; - d amplitude variable induisant des efforts à caractère alterné (avec inversion du signe de la contrainte de cisaillement) ou répété (sans changement du signe de la contrainte de cisaillement) ; - dans des gammes de fréquence basse à moyenne (< 10 Hz) sans considération d effets inertiels ; - avec des nombres de cycles de l ordre de 10 2 à 10 3 pour les chargements de nature environnementale (houle, vent, ) ou supérieurs à 10 5 pour les chargements industriels (trains, ponts roulants, ). Figure 1. Projet SOLCYP Méthodologie d approche du comportement des pieux sous sollicitations cycliques L effort sera plus particulièrement porté sur les actions verticales (appliquées dans l axe du pieu) qui posent des problèmes complexes au niveau des interfaces sol-pieu. Les actions horizontales seront traitées plus succinctement dans la mesure où on dispose de plus de données et de méthodes d approche déjà opérationnelles en offshore qu il s agira essentiellement d adapter. On n abordera pas dans ce projet les phénomènes de couplage entre efforts horizontaux et verticaux. La méthodologie d approche du comportement des pieux sous chargements cycliques comportera trois niveaux : 739

6 - on définira tout d abord des critères de seuil destinés à évaluer la sévérité des actions cycliques sur la fondation et juger du type d approche approprié (approche simplement statique négligeant l effet des cycles, prise en compte de l effet des cycles par des méthodes simplifiées ou étude détaillée de l effet des cycles) ; - on développera ensuite des méthodes d ingénierie standard basées sur le concept de courbes de transfert (courbes d interaction sol-pieu de type (T-Z) cyclique pour les actions verticales et (P-Y) cyclique pour les actions latérales). On suppose ici que la réponse du pieu peut être décrite par des relations d interaction locale entre la structure (paroi du pieu) et le sol environnant ; - on mettra simultanément au point des méthodes d ingénierie détaillée basées sur le concept de diagramme-contour et de cumul d endommagement. Ces méthodes prennent en compte toute la complexité de la réponse du comportement des sols et/ou des interfaces à des modes de sollicitation complexes. Figure 2. Complémentarité des projets ANR-SOLCYP et PN-SOLCYP Le Projet SOLCYP présenté à l ANR (ANR-SOLCYP) a pour ambition de développer la méthodologie décrite ci-dessus et les méthodes de calcul qui en constituent la charpente. Le projet s adossera à un projet national (PN) homonyme (PN-SOLCYP) en cours de finalisation auprès du RGCU. L articulation et la complémentarité des deux projets sont explicitées dans la Figure Contenu technique du projet SOLCYP Le projet ANR-SOLCYP fera appel à une gamme étendue d expérimentations tant en laboratoire (essais de comportement de sol, essais d interface) que sur modèles physiques (chambre d étalonnage, centrifugeuse). Des simulations numériques seront effectuées depuis le niveau de la rhéologie élémentaire jusqu à celui de l interaction sol-structure. Ces travaux, réalisés sur des sols modèles (une argile type et un sable type) serviront de base de référence pour l élaboration des critères de seuil et des méthodes d ingénierie. Le détail du contenu technique du projet est résumé dans la fiche jointe. Le Projet National PN-SOLCYP sera essentiellement dédié à la réalisation de pieux tests instrumentés sur des sites expérimentaux et au développement d essais in situ susceptibles de donner accès aux paramètres cycliques suffisants pour la construction des courbes d interaction sol-pieu. Les acquis du PN permettront essentielle- 740

7 ment d asseoir et calibrer les méthodes d ingénierie sur les types de pieu les plus communément usités et sur des sols réels. Ils renforceront donc l impact industriel du projet et justifieront pleinement ses prolongements dans le domaine règlementaire national. 5. Partenariat En vue de mener à bien le projet ANR-SOLCYP et d atteindre les objectifs et finalités visés, il a été nécessaire : - de rassembler les équipes et partenaires parmi les plus compétents et les plus représentatifs au plan national, dans le domaine étudié, - d assurer, en vue de déboucher sur les «produits attendus», un bon équilibre entre organismes de recherche et partenaires industriels, - de pouvoir bénéficier d une bonne complémentarité, au niveau des laboratoires et organismes de recherche, entre expérimentateurs, modélisateurs et numériciens. Les partenaires du projet ANR-SOLCYP sont les suivants : - organismes universitaires et de recherche : CERMES (ENPC), GeM (Ecole Centrale de Nantes), 3S-R (INPG, Grenoble), LCPC (Nantes et Paris), LML (Université de Lille), LTDS (Ecole Centrale de Lyon). - organismes industriels : EDF, Fugro-France, SAIPEM. Le pilotage du projet est assuré par l IREX et Fugro France. Le P.N. est en cours de constitution à la date de rédaction de cet article. 6. Conclusions Le projet SOLCYP a pour ambition de développer une méthodologie et des procédures de calcul pour prendre en compte l effet des chargements cycliques dans la réponse des pieux de fondations des ouvrages de Génie Civil et Côtier. Il s appuiera sur deux volets complémentaires : un volet conceptuel et méthodologique financé par l Association Nationale pour la Recherche (ANR-SOLCYP) et un volet d expérimentations in situ qui devrait être soutenu par le RGCU sous forme de Projet National (PN-SOLCYP). Le travail est prévu sur une durée de 4 ans ( ). 7. Remerciements Les auteurs tiennent à remercier tous leurs collègues qui ont investi du temps et de l énergie pour que ce projet voie le jour, en particulier M. Boulon, S. Bretelle, P. Foray, J. Garnier, J-Y Hicher, J-P Iorio, A. Le Kouby, C. Plumelle, S. Po, F. Rocher-Lacoste, P. Vezole. Le soutien financier de l ANR est vivement apprécié. 8. Références bibliographiques Andersen K. H., Lauritzsen R. (1988). Bearing capacity for foundations with cyclic loads. ASCE, Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 114, No. 5, pp Andersen K. H., Pool J. H., Brown S. F., Rosenbrand W. F. (1980). Cyclic and static laboratory tests on Drammen clay. Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol. 106, No. GT5, 31p. 741

8 Jardine R.J.,Chow, F.C. (1996). New design methods for offshore piles. The Marine Technology Directorate Ltd. Karlsrud K., Nadim F., Haugen T. (1987). Piles in Clay under Cyclic Axial Loading: Field Tests and Computational Modelling, publication N 169, Norwegian Geotechnical Institute. Poulos H.G. (1988). Cyclic stability diagram for axially loaded piles. Journal of Geotechnical Engineering Division, Research Report No. R574, Vol. 114, N 8, pp Poulos H.G. (1989). Cyclic axial loading analysis of piles in sand. Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 115, N 6, pp Puech A., Jezequel J.F. (1980) "The effects of long time cyclic loadings on the behavior of a tension pile", Proc. Offshore Technology Conference, Houston, Texas, Paper Randolph M., Cassidy, M., Gourvenec, S. (2005). Challenges of offshore geotechnical engineering. Proc. 16 th ICSMFE, Osaka, pp Fiche-résumé du projet ANR-SOLCYP Tâche 1 : Caractérisation expérimentale des sols de référence Objectif : caractériser deux sols sous sollicitations monotones et cycliques et fournir les paramètres de base nécessaires aux autres tâches du projet. - choix d un sable et d une argile de référence, - essais triaxiaux (TX) et de cisaillement simple (DSS) statiques et cycliques, - études des paramètres clés : amplitude, fréquence, nombre de cycles, etc. - synthèse des résultats sous forme de diagrammes-contours, tels que développés pour les études offshore. Tâche 2 : Expérimentations sur les interfaces Objectif : fournir des éléments sur la rhéologie des interfaces soumises à des sollicitations cycliques, en utilisant une approche analogue à celle utilisée pour les sols de référence dans la perspective d application au frottement des pieux. Trois types de dispositifs expérimentaux : - cisaillement direct linéaire à rigidité imposée, - cisaillement direct annulaire, - «pieux-sondes» instrumentés en chambre d étalonnage Tâche 3 : Comportement du système sol-pieu Objectif : passer du niveau local au niveau global sol-pieu. Essais de chargements cycliques en centrifugeuse sur des pieux mis en place dans les deux sols de référence : - chargements verticaux : 6 massifs / 25 essais de chargement. - chargements horizontaux : 15 massifs / 50 essais de chargement. Les données obtenues seront utilisées pour: - caler les modèles numériques de comportement d un pieu sous sollicitations cycliques verticales ou horizontales (Tâche 4). - élaborer puis valider les méthodes de dimensionnement pratiques (Tâche 5). Tâche 4 : Modélisation du système sol-pieu Objectif : développer, comparer et valider, plusieurs procédures de modélisation numérique, en éléments/différences finis, du système sol-interface-pieu, sous sollicitation cyclique axiale ou latérale, comportant un très grand nombre de cycles, à fréquence faible (sans force d inertie). Le comportement élémentaire des sols et interfaces sol-pieu sous sollicitations cycliques sera rigoureusement pris en compte du point de vue mécanique, mais de manière à aboutir à des outils numériques réellement utilisables dans la pratique géotechnique. On vise notamment l intégration de ces développements dans les codes industriels les plus utilisés (PLAXIS, FLAC, CESAR, PECPLAS...). Tâche 5 : Développement et validation de méthodes de calcul et de dimensionnement Objectif : se confond avec l objectif global du projet ANR-SOLCYP à savoir développer et valider des méthodes innovantes de calcul et de dimensionnement des pieux de génie civil. La méthodologie d approche en trois niveaux du comportement des pieux sous chargements cycliques est décrite en section 3. Tâche 6 : Synthèse, recommandations Objectif : prolonger le travail conceptuel par : - la rédaction d un ouvrage de synthèse et de recommandations ; - l élaboration d un document prénormatif. 742