Tassement des fondations superficielles dans les sols fins à partir des essais de pénétration statique (CPT)

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1 13 TH ARAB STRUCTURAL ENGINEERING CONFERENCE UNIVERSITY OF BLIDA 1 DECEBER 13-15, 2015 ALGERIA Taement de fondation uperficielle dan le ol fin à partir de eai de pénétration tatique (CPT) et dynamique (DPT) RAHANI Khaled *, AOUALI Nawel *, IR ouna **, BOUAFIA Ali * * Unierity Saâd Dahleb, Department of Ci. Eng., Faculty of Engineering, Blida, Algeria. bouafia@gmail.com naweline@gmail.com khaled.pg09@gmail.com ** Unierity Yahia Farè, Faculty of Technology, Dept of aterial Eng., édéa, Algeria. mirmouna@gmail.com Réumé : Le eai de pénétration tatique et dynamique offrent d importante perpectie de reconnaiance géotechnique. Outre l apport de reconnaiance qualitatie du ol (lithologie, homogénéité, ariabilité patiale ), ce deux eai permettent une quantification aiée de caractéritique mécanique du ol (réitance à la pénétration, rigidité) et apprêtent à fournir de outil de dimenionnement moderne de fondation faiant d ailleur l objet de precription réglementaire (Eurocode-7, AASHTO, CFE ). La communication a pour objectif de contribuer à l éaluation du taement de conolidation primaire dan le ol fin. Le traail et baé ur une analye fine de corrélation déeloppée entre la réitance à la pénétration en pointe (tatique ou dynamique) et le paramètre de compreibilité meuré par l eai œdométrique, à traer une bae de donnée géotechnique locale relatie à une dizaine de ite du nord Algérien. Une telle analye a permi de propoer une méthodologie de calcul du taement par intégration de tranche le long de la zone utile de taement ou une fondation. L étude comparatie entre l approche propoée et la méthode conentionnelle baée ur l eai œdométrique a permi de la caler en ue d aboutir à une bonne qualité de préiion de taement. Toutefoi, la généraliation de l approche néceite un approfondiement en élargiant la taille de la bae de donnée. ot-clé: Bae de donnée, Corrélation, Eai DPT, Eai CPT, Eai œdométrique, Fondation uperficielle, Taement. 1. INTRODUCTION Juqu aux année oixante, le calcul du taement de fondation uperficielle dan le ol fin aturé effectuait ouent à la bae de la théorie de conolidation primaire unidimenionnelle de Terzaghi et de paramètre de compreibilité obtenu à partir de l eai œdométrique au laboratoire ur de échantillon uppoé intact. Or, l émergence de eai in-itu en tant qu outil de reconnaiance géotechnique pratique, rapide, de manipulation imple et dipenant de l opération d extraction de échantillon à partir de ondage carotté, ouent délicate, longue et néceitant un équipement lourd, a généré une réolution au nieau du déeloppement de méthode de dimenionnement de fondation uperficielle. S incriant dan une logique pragmatique éitant le complication théorique iue de la modéliation du comportement complexe du ol, le méthode moderne de calcul du taement ont plutôt du type emi-empirique et baée ur de corrélation entre la réitance à la pénétration en pointe (tatique ou dynamique) et le paramètre de compreibilité meuré par l eai œdométrique, aboutiant aini à une formulation imple et pratique de calcul du taement œdométrique à la bae de eai de pénétration tatique (CPT : Cone Penetration Teting) ou dynamique (DPT : Dynamic Penetration Teting). Le taement c de conolidation primaire unidimenionnel d une tranche de ol, épaie de H 0 et oumie en on milieu à une contrainte effectie σ, et généralement calculé à partir du module œdométrique éalué à partir de la

2 courbe de chargement oedométrique, obtenue de l eai œdométrique comme uit (oir figure 1) : c zh0 H 0 (1) Vu le comportement non linéaire du ol, le module augmente aec l incrément de contrainte appliquée au milieu de la tranche, oit : (2) 0 Le module oedométrique intial 0 correpond à la rigidité erticale initiale du ol, oit à un incrément de contrainte nul (Δσ =0). L Eurocode 7 recommande une méthode pratique d etimation du module oedométrique par corrélation aec l eai CPT ou DPT, iue de norme allemande DIN et DIN , à la bae de l équation uiante [1] : 0 mp 2 a Pa n (3) Figure 1. Schéma de la courbe de chargement oedométrique d une tranche du ol P a et la preion atmophérique, égale à 100 kpa, et m et un coefficient quantifiant la raideur du ol, en fonction de la réitance pénétrométrique q c de l eai CPT ou du nombre de coup N d de l eai DPT, donné par le tableaux 1 et 2. L expoant n prend la aleur de 0.5 pour le able mal gradué (C U 3), et 0.6 pour le argile peu platique (I p 10 et ω l 35%). Une corrélation directe du module oedométrique aec la réitance pénétrométrique tatique a été aui recommandée par l Eurocode 7, à la bae de l équation uiante [1], [2] : = αq c (4) Tableau 1. Valeur du coefficient de raideur m à partir de l eai CPT Domaine de alidité m Réitance q c Type de ol (Pa) 167Log(q c ) q c 30 Sable mal gradué (C U 3) au deu de la nappe 463Log(q c )-13 5 q c 30 Sable bien gradué (C U >6) au deu de la nappe 15.2q c q c 3.5 Argile peu platique ferme (0.75 I c 1.3) au deu de la nappe - 2 -

3 Appareil DPT Tableau 2.Valeur du coefficient de raideur m à partir de l eai DPT m Nombre de coup N 10 Domaine de alidité Type de ol DPL(Pénétromètre Dynamique Léger) 214Log(N 10 )+71 4 N DPH(Pénétromètre 249Log 10 (N 10 ) N Dynamique Lourd) DPL 4(N 10 )+30 6 N Argile peu platique et ferme DPH 6(N 10 )+50 3 N Sable mal gradué (C U 3) au deu de la nappe (0.75 I c 1.3) et au deu de la nappe phréatique Le coefficient α et donné pour différent type de ol, mai il n et pa précié il agit d un module oedométrique initial ou non. Le marge donnée pour le coefficient α ont par contre aez large, ce qui limite le calcul à une etimation aez groière du taement oedométrique. Une telle approche n et alable qu en phae préliminaire d une étude géotechnique ou lorque le taement n et pa un critère eentiel dan la conception de fondation de l ourage. Roberton et Cabal (2010) propoent la corrélation uiante entre le module oedométrique écant et la réitance à la pénétration tatique q t : q t 0 (5) et un coefficient adimenionnel fonction de la réitance pénétrométrique normaliée Q t et de l indice de comportement du ol I c, et σ 0 et la contrainte erticale initiale due au poid de terre [3]. En Algérie, le eai CPT et DPT connaient dan le cadre de étude géotechnique un eor conidérable, uite à la croiance rapide du ecteur de la contruction (habitat et traaux public) et le lancement imultané de pluieur grand projet. Cependant, la pratique de ce deux eai néceite le recour à de méthode pratique de dimenionnement de fondation uperficielle. Or, à l échelle internationale, hormi l Eurocode 7, le règlement géotechnique ne préentent pratiquement pa de méthode traitant de l éaluation du taement de fondation uperficielle à partir de eai CPT et DPT dan le ol fin. L Eurocode-7 recommande en fait le recour à une méthode emi-empirique, iue de la norme allemande DIN-4094, et baée ur de corrélation pour le calcul du taement unidimenionnel dan le ol pulérulent, et le ol fin au-deu de la nappe d eau. Le caractère local de ce corrélation, dépendant fortement du contexte géologique et géotechnique au ein duquel elle ont été établie, ne permet pa à cette méthode de prétendre à l unieralité ou réere d une alidation détaillée par confrontation directe de préiion de cette méthode aec celle de la méthode oedométrique. Une telle réflexion timule d ailleur le déeloppement de méthode imilaire baée ur de corrélation locale pour une meilleure prie en compte de caractéritique du ol. Le traail préenté dan cette communication inère dan le cadre d un traail de recherche entamée à l Unierité de Blida, ayant abouti au déeloppement de deux méthode de calcul du taement de conolidation primaire unidimenionnelle de ol fin à la bae de l eai CPT ou DPT. 2. DESCRIPTION DE LA BASE DE DONNÉES De rapport d étude géotechnique courante ont été collecté et filtré en ue de créer une bae de donnée contenant le paramètre requi, à aoir le réultat détaillé de l eai de compreibilité oedométrique et ceux de l eai CPT ou DPT. La majorité étant ituée dan le nord de l Algérie et plu préciément dan le wilaya uiante : Alger, Blida, Boumerdè et Tipaa. Pour le corrélation aec l eai DPT, le nombre de ite étudié et de 36, le nombre de ondage carotté et de 38 et le nombre d échantillon étudié et de 23, tandi qu aec l eai CPT, le nombre de ite et de 10, le nombre de ondage carotté et de 20, et le nombre d échantillon étudié et de 52. Tou le échantillon étudié ont de argile peu à trè platique (clae LCPC : A p, A t ) et pratiquement aturé, le degré de aturation dépaant 82%. 3. ANALYSE DES DONNÉES La première étape d analye et de contruire la courbe de chargement œdométrique Δσ =f(ε z ) à partir de la courbe de compreibilité œdométrique e=f(log(σ ), e étant l indice de ide meuré. La déformation erticale ε z et calculée du taement meuré c comme uit : - 3 -

4 c e z (6) H0 1 e 0 L analye de la courbe de chargement œdométrique expérimentale montre que, dan preque tou le ca étudié, elle a une allure quaiment hyperbolique définie par la formule uiante : Δσ V ε Z (7) a b.ε Z L ajutement au en de moindre carré de cette courbe par la fonction hyperbolique permet d obtenir le module œdométrique 0 qui repréente la pente de la tangente initiale à la courbe : 1 0 (8) a Le calcul du module œdométrique écant et défini par la pente de la droite reliant l origine au point actuel déterminé pour chaque incrément de charge. Ce module et calculé par la formule uiante : ΔσV (9) ε z Pour chaque eai œdométrique, la courbe liant le rapport / 0 à la ariation relatie de contrainte Δσ /σ 0 et tracée. Il a été contaté que dan la quai-totalité de ca, cette courbe peut ajuter, aec une excellente qualité d ajutement par moindre carré, à une droite de la forme : Δσ (10) V c d 0 σv0 En abence de la urcharge (Δσ =0), on doit aoir l égalité entre le module œdométrique écant et le module œdométrique initial 0, ce qui exige que c=1. L ajutement linéaire effectué ur l enemble de donnée a permi d obtenir le paramètre uiant : c= 1, d=0.018 et R= 98% (coefficient de régreion linéaire) en ca où σ < σ c, σ c étant la contrainte de préconolidation de l échantillon à la profondeur étudiée. En ca où σ > σ c, on obtient c=1, d= et R= 94% [4]. c En combinant le équation (1) et (10), on aboutit à une formulation du taement c, comme uit : zh0 H0 H0 (11) 0 1 d 0 Le module 0 et la contrainte de préconolidation σ c ont à relier par corrélation à la réitance de pénétration tatique q c ou dynamique q d repectiement comme uit : 0 =K E CPT q c (12) 0 =K E DPT q d (13) σ c =λ CPT q c (14) σ c =λ DPT q d (15) 4. ETUDE DES CORRÉLATIONS 4.1. CORRÉLATIONS À PARTIR DE L ESSAI CPT L étude tatitique de hitogramme du nombre modulaire K E CPT et du coefficient de contrainte λ CPT a permi d obtenir le aleur caractéritique uiante : K E CPT =2.2 et λ CPT =0.06. La figure 2 illutre le hitogramme de K E CPT et λ CPT et montre un excellent coefficient d ajutement de hitogramme aec la loi normale de Gau [5]

5 4.2. CORRÉLATIONS À PARTIR DE L ESSAI DPT Selon la même démarche, on obtient à partir de l ajutement de hitogramme : K E DPT =0.60 et λ DPT =0.08. Noton que ce corrélation correpondent à un appareil DPT du type BORRO-B2, couramment utilié en Algérie, et qui et l équialent, en terme de caractéritique mécanique et géométrique, à l appareil tandardié DPSH-A (DPT Super- Lourd catégorie A), et que q d et obtenue à partir de la formule du battage dite de Hollandai [4]. Le pénétrogramme q c et q d (z) ont été filtré en éliminant le pic de réitance, ce qui aboutit à de profil pénétrométrique plu doux correpondant à l eneloppe de réitance minimale. Enfin, la corrélation aec l eai DPT a été limitée aux échantillon au deu de la nappe phréatique, en ue d éiter le aleur non fiable de la réitance dynamique q d dan le ol fin ou la nappe d eau. Figure 2 : Analye tatitique de la corrélation pour l eai CPT 5. CALCUL DU TASSEENT A PARTIR DES ESSAIS DE PÉNÉTRATION 5.1. A PARTIR DE L ESSAI CPT Le proceu de définition de la méthode de calcul e bae ur une multitude d approximation (interprétation de la courbe de chargement oedométrique, ajutement, et analye tatitique), ce qui néceite un calage de formule obtenue (équation 11) par rapport à la méthode conentionnelle baée ur l eai oedométrique. Cette opération a été effectuée en lançant le calcul du taement par le deux méthode de troi fondation fichée à 1.5 m par rapport au terrain naturel et ayant le élancement L/B=1, 2 et 10. Le ca d étude ont ceux ayant eri à l élaboration de la méthode pénétrométrique, oit de 10 ite. Il a été contaté que le rapport c oed / c CPT diminue de 1.48 pour L/B=1 à 1.24 pour L/B=10 quelle que oit la preion erticale appliquée ur la fondation. Le coefficient de calage du taement diminue aini légèrement aec l élancement L/B, mai peut prendre une aleur moyenne de 1.35 aec un coefficient de ariation de 9%, ce qui indique une aez faible diperion. On peut enfin reformuler l équation de calcul du taement c de conolidation unidimenionnelle d une tranche du ol, épaie de H 0 et oumie à une contrainte effectie finale σ à partir de l eai CPT, en tenant compte de ce calage : C H0 0.6 F( ) (16) qc 0 q c /σ 0 et la réitance pénétrométrique tatique normaliée, et F(σ ) et adoptée fonction de répartition de contrainte erticale, donnée par : 0 (17) F( ) 1 d 0 La figure 3 illutre la ariation de la fonction F et ert en pratique comme un abaque pour l éaluation graphique de F en fonction de la ariation relatie de contrainte Δσ /σ

6 Figure 3. Abaque de la fonction F(σ ) 5.2. A PARTIR DE L ESSAI DPT En uiant la même démarche d élaboration de la méthode baée ur le CPT, et en introduiant le aleur de K E DPT et λ DPT, on aboutit à une formulation du taement. Pour une fondation carrée, le coefficient de calage de cette méthode par rapport à celle baée ur l eai oedométrique a été troué, par analye tatitique du rapport c oed / c DPT, égal à En uppoant négligeable l effet de taille de la fondation, on aboutit enfin à : C H0 3 F( ) (18) qd 0 Le terme q d /σ 0 et la réitance pénétrométrique dynamique normaliée, et la fonction F peut être aiément déterminée de l abaque de la figure 3 en fonction de Δσ /σ 0. Rappelon qu une telle formulation et alable pour le tranche du ol au deu de la nappe phréatique. Le équation (16) et (18) permettent aini un calcul pratique du taement de conolidation unidimenionnelle d une tranche quelconque d un ol fin. La qualité prédictie de ce deux méthode et à teter par comparaion directe aec le préiion de la méthode baée ur l eai oedométrique, à traer un nombre repréentatif de ca, afin de e prononcer ur leur applicabilité. 6. CONCLUSION Dan le cadre d un traail de recherche entamée à l Unierité de Blida ur le comportement de fondation uperficielle, l analye de donnée géotechnique comportant d une part le réultat d eai de compreibilité oedométrique et d autre part ceux de l eai CPT ou DPT, a abouti au déeloppement de deux méthode de calcul du taement de conolidation primaire unidimenionnelle de ol fin à la bae de l eai CPT ou DPT. Le réultat troué ont trè encourageant car il démontrent qu en dépit de différente approximation faite le long du proceu de définition de ce deux méthode, il et poible de mener un calcul du taement de conolidation 1D dan le ol argileux aturé ou de fondation uperficielle, à partir de eai de pénétration tatique et dynamique, à la bae de la méthode d intégration de tranche du ol. Il era prononcé ur la qualité prédictie de ce deux méthode aprè le aoir teté par comparaion directe aec le préiion de la méthode baée ur l eai oedométrique, à traer un nombre repréentatif de ca. REFERENCES [1] C.E.N "Eurocode 7: Geotechnical deign -Part2:Ground inetigation and teting", EN :2007, arch 2007, European Committee for Standardization: Bruel, 158 page. Verion françaie Eurocode 7 : Calcul géotechnique Partie 2 : Reconnaiance de terrain et eai géotechnique, NF EN , AFNOR eptembre [2] G Sanglerat, "The Penetrometer and oil exploration", 2 nd enlarged edition (1979), Eleier Scientific Publihing Company, 1972 [3] P.K Roberton, K.L Cabal,"Guide to cone penetration teting for geotechnical engineering", 5 th edition, 2012, 145 page. [4] K, Rahmani, odéliation numérique de l apport de l eai DPT à l étude du comportement de fondation uperficielle, Thèe de agitère en Génie Ciil, Unierité de Saad Dahleb, Blida, Algérie, [5] N. AOUALI, Apport de l eai de pénétration tatique et de eai géophyique de forage au calcul du taement de fondation uperficielle, Thèe de agitère en Génie Ciil, Unierité de Saad Dahleb. Blida, Algérie, Juin