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Tour d’horizon des techniques de fondations

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Tour d’horizon des techniques de fondations

Alors que la mécanisation des systèmes a contribué à démocratiser fortement les techniques de fondations dans le domaine du bâtiment, le choix des solutions est encore souvent dicté par la recherche du meilleur compromis entre coût et rapidité d’exécution.

Par définition, les fondations sont les parties qui, situées à la base de toute construction, sont destinées à transmettre les charges de l’ouvrage sur le terrain d’assise. Si le sol est de bonne qualité, c’est-à-dire suffisamment résistant pour reprendre les efforts sans risque de déformation, le bâtiment est construit sur des fondations dites superficielles, type semelle filante ou ponctuelle. Un cas de figure idéal, du moins sur le papier, car le ­domaine des fondations nécessite la prise en compte de multiples critères qui ne sont pas toujours appréhendés (voir encadré), ­l’illustration parfaite demeurant les problèmes de fissuration qui touchent, depuis quelques années, bon nombre de bâtiments. « Un phénomène qui résulte, le plus souvent, d’un problème de dessication de la couche d’argile sur lequel sont fondées certaines constructions », précise Maurice Douaillat, chef de service géotechnique de Razel. Si la capacité portante du terrain superficiel se révèle, en revanche, insuffisante mais que le bon sol se situe à faible profondeur, classiquement de 1 à 2 m, il suffit en général de terrasser localement afin de réaliser des fondations enterrées semi-profondes de type puits.

Si le bon sol n’existe pas à une profondeur « raisonnable », une des solutions consiste à accroître sa capacité portante en faisant appel à des techniques de consolidation. « En présence d’un sol frottant non cohérent, genre sable ou graviers, le procédé de vibroflottation permet de densifier le terrain granulaire », explique Christian Gilbert, directeur des études et méthodes du groupe Solétanche Bachy. Cette méthode, applicable à des terrains dont la teneur en particules fines ne dépasse pas 12 à 15 % et jusqu’à des profondeurs n’excédant pas 30 m, consiste à enfoncer (par lançage d’eau et/ou injection d’air comprimé) une sonde de forme tubulaire qui renferme, dans sa pointe inférieure, un puissant vibrateur.

Colonnes ballastées : un rôle de drains verticaux

« Les vibrations génèrent une onde de cisaillement qui, sous l’effet des surpressions interstitielles, met les grains du sol dans un état liquéfié », poursuit Christian Gilbert. Le resserrement du terrain en profondeur génère un compactage, un remblaiement de surface pouvant ensuite être mis en œuvre. Le maillage des points de vibration dépend, bien entendu, des caractéristiques initiales et des objectifs à atteindre.

Dans les sols cohérents, type limons ou argiles, les colonnes ballastées permettent d’améliorer les performances globales du sol d’assise en reportant les charges vers une couche sous-jacente plus résistante. Le dispositif de forage, composé d’un tube prolongé en partie basse par un vibreur électrique ou hydraulique, est enfoncé jusqu’à la base du massif à consolider. L’empreinte créée est ensuite comblée par l’apport de ballast (introduit de manière gravitaire ou par le biais d’une pompe à graviers). Le remplissage s’effectue par couches successives, tout en maintenant la vibration, afin de compacter le matériau d’apport en continuant à refouler le sol. Avantage : les colonnes ballastées jouent également le rôle de drains verticaux. Lorsque le sol est trop mou ou organique, et qu’il n’offre pas d’étreinte latérale suffisante, les colonnes à module contrôlée (CMC) peuvent être préférées aux colonnes ballastées. Ces ­colonnes, qui visent à réduire la déformabilité globale du terrain à l’aide d’éléments semi-rigides régulièrement répartis, sont réalisées à l’aide d’une vis conçue par Ménard Soltraitement. L’outil est vissé dans le sol, jusqu’à la profondeur désirée, puis remonté lentement sans déblais vers la surface. Simultanément, un coulis est injecté, par l’âme de la vis, en utilisant des pressions modérées. Les colonnes sont ensuite coiffées d’un matelas permettant la répartition des charges lorsqu’elles doivent, par exemple, supporter un dallage. Pour être exhaustif, il faudrait également signaler les injections solides, les récentes CMM (voir encadré) ou encore le compactage dynamique. « Cette dernière solution, qui consiste à augmenter la densité par pilonnage du terrain au moyen d’une masse importante chutant de grande hauteur, est très avantageuse sur le plan économique. Son utilisation habituelle se limite à des profondeurs de 10 à 12 m, mais elle n’est pas applicable en site urbain, en raison des nuisances sonores et des vibrations importantes qu’elle provoque », précise Christian Gilbert.

Des pieux de 300 à 1 200 mm de diamètre

Lorsqu’il faut aller chercher la couche de sous-sol dur à une grande profondeur, il est impératif de faire appel aux fondations profondes. Là encore, les procédés abondent. « Il est très difficile d’effectuer une arborescence précise. On peut pratiquement tout faire aujourd’hui, mais chaque cas est unique car si on a déjà réalisé tel type d’ouvrage ou de bâtiment, on ne le fait jamais au même endroit », affirme Maurice Douaillat. Les pieux en bois, connus depuis l’Antiquité, ont été délaissés au profit des pieux métalliques ou en béton armé, coulés en place ou préfabriqués. Il en existe plusieurs dizaines de sortes, pouvant néanmoins être classés en deux grands groupes : les pieux mis en œuvre avec refoulement du sol (type battus) et les pieux réalisés par excavation du sol (forés). La majorité des chantiers se déroulant aujourd’hui en site urbain, la technique de battage est plutôt délaissée (bruits et vibrations) au profit des pieux forés, « la région parisienne se caractérisant également par la présence d’horizons très durs, qui peuvent générer des refus directs lors du battage », précise Christian Gilbert.

L’amélioration spectaculaire des techniques de forage a, par ailleurs, permis de démocratiser la technique des pieux forés dans le domaine du bâtiment.Les procédés usuels sont les pieux forés à la boue (la paroi du forage est stabilisée grâce aux propriétés thixotropiques de la bentonite) ou forés tubés (un tube métallique est descendu par battage, semi-rotation ou au moyen d’un oscillateur. « Une grande majorité de pieux est aujourd’hui exécutée au moyen d’une tarière creuse continue », précise Bernard ­Walbron, directeur commercial de Spie ­Fondations. Dans la pratique, l’outil – sorte de tire-bouchon géant – est vissé dans le sol jusqu’à la profondeur désirée, le terrain n’ayant pas, contrairement aux autres procédés, besoin d’être stabilisé. Une fois la cote ­atteinte, la tarière est remontée sans dévissage, l’ouverture d’un tube de bétonnage ou d’un clapet gravitaire permettant d’injecter du béton prêt à l’emploi au fur et à mesure de l’extraction. Le risque de coupure du pieu est éliminé. Les paramètres de forage (profondeur, vitesse d’avancement, couple) et de bétonnage (vitesse de remontée, pression) peuvent être éventuellement visualisés sur un écran de contrôle, situé dans la cabine de pilotage, et enregistrés informatiquement afin d’établir une fiche d’exécution. Ces pieux peuvent bien entendu être armés au moyen d’une cage d’armatures, l’introduction de celle-ci s’effectuant, à l’inverse des autres techniques de pieux forés (boue, tubé), une fois le pieu bétonné. D’où, au passage, la nécessité d’utiliser des bétons présentant des caractéristiques de maintien de rhéologie importantes. Cette technique permet de réaliser classiquement des pieux de 300 à 1200 mm – on parle de micropieux lorsque le diamètre est inférieur à 300 mm – à des profondeurs maximales d’une trentaine de mètres. En effet, la mise en place des armatures sous leur propre poids ou par vibration devient délicate pour des éléments d’une longueur supérieure à une quinzaine de mètres.

Des barrettes à 125 m de profondeur

Pour des ouvrages très lourds (IGH, bâtiments industriels) qui exigent des fondations capables de supporter ponctuellement plusieurs milliers de tonnes, des pieux de très grand diamètre (jusqu’à 3 m) peuvent être réalisés par forage ou tubage. Dans cette situation, le recours aux barrettes semble plus intéressant, ce type d’appuis offrant, à section identique, une résistance aux efforts horizontaux supérieure à celle des pieux circulaires, ainsi qu’une meilleure mobilisation du frottement latéral, car leur périmètre est plus grand. Dans la pratique, ces appuis, déclinables selon un large éventail de géométries (barres, croix, H, T), sont réalisés comme des pieux forés moulés et calculés selon les mêmes abaques Seul l’outillage de forage est différent : benne à câble ou hydraulique, haveuse de parois – type Hydrofraise (Solétanche Bachy) ou Rotoforeuse (Spie Fondations). « Ces barrettes peuvent atteindre des profondeurs considérables, notre record se situant actuellement à 125 m, sur les tours jumelles Petronas de Kuala Lumpur, en ­Malaisie », précise Christian ­Gilbert. Leur réalisation exige dans tous les cas des tolérances de verticalité très serrées, l’Eurocode préconisant un maximum de 1 %. Mais nous pouvons descendre jusqu’à 0,3 % par le biais de systèmes embarqués qui mesurent et contrôlent en temps réel la déviation ». Le maintien de rhéologie du béton est également un facteur essentiel, d’une part pour éviter la ségrégation et d’autre part pour maintenir les performances (résistance, maniabilité) du mélange, eu égard aux ­volumes importants qu’il faut parfois mettre en œuvre, l’opération de coulage d’une barrette à grande profondeur pouvant prendre plusieurs heures.

Aujourd’hui, la plupart des projets en site urbain incluent plusieurs niveaux de sous-sol, la réalisation de ces infra­structures nécessitant d’avoir recours à des techniques de soutènement des terrains. Si le projet est hors d’eau, l’une des solutions consiste à réaliser depuis la surface, avant tout creusement, une partie du soutènement qui assurera l’équilibre des efforts de butée (en pied) et de poussée. Un creusement par passes (d’un à quelques mètres selon la tenue du sol), avec mise en œuvre à l’avancement d’un blindage (dalles minces en béton, profilés métalliques, béton projeté, planches de bois) des talus dégagés entre les appuis verticaux, est ensuite effectué. Le soutènement est souvent complété par l’installation de butons métalliques ou de tirants d’ancrage. Le soutènement type demeure la paroi « berlinoise » – ainsi dénommée car elle a été très employée sur les chantiers de Berlin – les appuis étant, dans ce cas particulier, des profilés métalliques mis en place dans un forage. Lorsqu’une partie de la structure se situe dans la nappe phréatique, la réalisation d’une enceinte étanche en périphérie de l’ouvrage devient indispensable.

« L’incontournable » paroi moulée

La technique de la paroi moulée est l’une des plus employées. Elle consiste à excaver des panneaux, dont la largeur classique oscille entre 5 et 7 m (épaisseurs courantes de 60 à 80 cm), au moyen d’une benne à câbles ou hydraulique, ou par l’intermédiaire d’une haveuse de parois. La haveuse, qui peut intervenir dans des terrains durs, quasi rocheux, offre une productivité plus importante, le forage se déroulant en continu, contrairement à la benne qui travaille par mouvements alternatifs. Le choix du matériel dépend donc grandement du ratio vitesse/coût. Des murettes-guides sont préalablement construites, au début du forage, afin d’assurer la verticalité. La fouille est remplie, au fur et à mesure de l’excavation, d’une boue thixotropique (type bentonite) destinée à soutenir les terres jusqu’au bétonnage. Celui-ci s’effectue par tube plongeur, après mise en place des cages d’armatures et de joints d’étanchéité (type Water Stop) entre les panneaux. Des sondes spécifiques, descendues dans des tubes métalliques solidarisés avec les cages d’armatures, peuvent être installées dans certains panneaux afin de permettre un contrôle, a posteriori de la qualité du bétonnage, par auscultation sonique.

Le jet grounting : une solution moins coûteuse

Pour des profondeurs plus modestes, la technique des pieux sécants peut également être utilisée. Le procédé CSM (Cutter Sol Mixing), développé par Solétanche Bachy, permet quant à lui de créer des murs d’étanchéité jusqu’à une vingtaine de mètres de profondeur, en utilisant le terrain en place mélangé à un liant (ciment, par exemple). Avantages : diminution des déblais et possibilité d’utiliser des terrains pollués en éliminant les coûts de mise en décharge.

Dans les ­sites exigus ou dans des contextes d’intervention délicate (présence de mitoyens, ouvrages souterrains existants) la technique du jet-grouting peut également être une alternative permettant de s’affranchir d’une coûteuse installation de paroi moulée. Ce procédé consiste à déstructurer le terrain au moyen d’un jet de coulis propulsé sous haute pression (400 à 600 bars), dans un forage de petit diamètre (100 à 200 mm) réalisé sur la hauteur à traiter.

Lors de la remontée lente des ­tiges de forage, le coulis se mélange avec le terrain afin de former un béton de sol dans la masse du terrain. Le jet de coulis peut être seul (jet simple) ou combiné avec un jet d’eau ou d’air (jet double ou triple) afin d’accroître l’énergie et assurer une plus grande déstructuration, des colonnes de 3 m de diamètre étant ainsi réalisables.

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