Introduction à l'ingénierie des fondations

Ce domaine spécialisé combine les principes de la mécanique des sols, de la mécanique des roches et de l'ingénierie géotechnique pour créer des fondations qui transfèrent efficacement les charges de la structure au sol. L'objectif principal des fondations est de répartir le poids de la structure sur une grande surface, en évitant les surcharges et les problèmes de tassement potentiels. De plus, les fondations ancrent les structures contre les forces naturelles telles que les tremblements de terre, les inondations, les sécheresses, les gelées, les tornades et le vent. L'ingénierie des fondations a évolué au fil du temps, avec des techniques historiques telles que la construction à terre ou à poteaux dans le sol, les padstones et les pierres de staddle cédant la place à des méthodes modernes telles que les fondations peu profondes et profondes. Le choix d'un type de fondation approprié dépend de divers facteurs, notamment les propriétés du sol, les conditions environnementales et la destination de la structure. À ce titre, l'ingénierie des fondations joue un rôle essentiel pour assurer la sécurité, la stabilité et la durabilité de notre environnement bâti.

But des fondations dans les structures

Le but des fondations dans les structures est d'assurer la stabilité et le soutien en transférant les charges de la structure au sol. Les fondations jouent un rôle crucial en répartissant le poids de la structure sur une grande surface, en évitant la surcharge du sol sous-jacent et en évitant les tassements inégaux qui pourraient compromettre la stabilité de la structure (Das, 2010). De plus, les fondations ancrent la structure contre les forces naturelles telles que les tremblements de terre, les inondations, les sécheresses, les gelées, les tornades et le vent (Coduto et al., 2011). Ils fournissent également une surface plane pour la construction et, dans certains cas, empêchent les mouvements latéraux de la structure supportée. Une fondation bien conçue et bien construite garantit que les charges permanentes et imposées sont transmises au sol sans causer de tassements différentiels ou de problèmes de stabilité (Bowles, 1996). En résumé, les fondations sont essentielles pour la performance globale et la longévité des structures, car elles assurent une connexion stable et sécurisée entre la structure et le sol.

Exigences pour une fondation performante

Une fondation performante est cruciale pour la stabilité et la longévité d'une structure. Pour y parvenir, certaines exigences doivent être respectées lors du processus de conception et de construction. Premièrement, la fondation doit répartir efficacement les charges permanentes et imposées de la structure sur le sol, sans provoquer de tassement différentiel qui pourrait compromettre la stabilité de la structure. Ceci peut être réalisé en ayant une base rigide pour la fondation, en particulier dans les zones avec des charges superposées non uniformes (Briaud, 2013).

Une autre exigence est de s'assurer que la fondation est suffisamment profonde pour résister aux dommages ou à la détresse causés par le rétrécissement et le gonflement dus aux changements de température. Ceci est particulièrement important dans les zones avec des sols expansifs ou des fluctuations de température saisonnières importantes (Das, 2010). De plus, l'emplacement de la fondation doit être choisi avec soin pour éviter d'être affecté ou influencé par des travaux ou des facteurs futurs, tels que des constructions à proximité ou des changements dans les niveaux des eaux souterraines (Briaud, 2013).

En résumé, une fondation performante doit répartir efficacement les charges, empêcher le tassement différentiel, être suffisamment profonde pour résister aux facteurs environnementaux et être située dans une zone exempte de perturbations futures potentielles.

Facteurs influençant le choix de la fondation

Le choix d'un type de fondation approprié pour une structure est influencé par plusieurs facteurs. Un facteur crucial est le type de sol et sa capacité portante, qui déterminent la capacité de la fondation à supporter le poids de la structure sans tassement excessif ni rupture (Bowles, 1996). De plus, la taille, le poids et l'utilisation prévue de la structure jouent un rôle important dans le choix des fondations, car ils dictent la capacité portante et la stabilité requises (Das, 2010). Les facteurs environnementaux, tels que la présence d'eau souterraine, la profondeur du gel et l'activité sismique, ont également un impact sur le choix de la fondation, car ils peuvent affecter la performance et la durabilité de la fondation (Coduto et al., 2011). En outre, des considérations économiques, telles que les coûts de construction et la disponibilité des matériaux, peuvent influencer le processus de prise de décision (Oyenuga, 2014). Enfin, les codes et règlements locaux du bâtiment doivent être pris en compte pour assurer le respect des normes de sécurité et de performance (IBC, 2018).

Types et techniques de fondation historiques

Historiquement, divers types et techniques de fondation ont été utilisés dans la construction pour assurer la stabilité et le soutien des structures. L'une de ces techniques est la construction à terre ou à poteaux dans le sol, où les poteaux en bois étaient directement encastrés dans le sol, souvent utilisés dans les bâtiments et les structures marines (Latvijas Etnogrfiskais Brvdabas Muzejs, 2019). Les padstones et les staddle stones ont également été utilisés comme fondations simples, les padstones étant des pierres simples qui répartissaient le poids sur le sol et soulevaient le bois du sol (Chappell, 2016). Les fondations en pierre, qu'elles soient en pierre sèche ou posées dans du mortier, étaient courantes dans de nombreuses régions du monde, fournissant une base solide pour les structures (Wheeler, 2012). Les fondations de tranchées en moellons, constituées d'une tranchée peu profonde remplie de gravats ou de pierres, ont été utilisées dans des sols d'une capacité de plus de 10 tonnes/m2 (2,000 2004 livres par pied carré) et prolongées sous la ligne de gel pour empêcher le soulèvement dû au gel (Kennedy, XNUMX ).

Earthfast ou Post in Ground Construction

La construction Earthfast ou poteau dans le sol est une technique de construction ancienne qui consiste à encastrer directement des poteaux ou des poutres en bois dans le sol, sans utiliser de fondation séparée. Cette méthode est utilisée depuis des milliers d'années dans diverses cultures et lieux géographiques, en particulier dans les régions aux ressources en bois abondantes (Falk, 2014). Le principal avantage de la construction résistante à la terre est sa simplicité et sa rentabilité, car elle nécessite un minimum de matériaux et de main-d'œuvre par rapport aux autres types de fondations. Cependant, cette technique présente également plusieurs inconvénients, notamment la susceptibilité à la pourriture et aux dommages causés par les insectes, ainsi qu'une instabilité potentielle due au mouvement du sol ou à un tassement inégal (Rackham, 1994). Pour atténuer ces problèmes, les constructeurs utilisent souvent des essences de bois résistantes à la pourriture, traitent les poteaux avec des agents de conservation ou utilisent des mécanismes de soutien supplémentaires tels que des piliers en pierre ou en maçonnerie (Falk, 2014). Malgré ses limites, la construction à terre reste une option viable pour certaines applications, en particulier dans les zones rurales ou éloignées où l'accès aux matériaux et à la main-d'œuvre qualifiée peut être limité.

Padstones et Staddles Stones

Les padstones et les staddle stones sont des techniques de fondation historiques qui ont été utilisées pour assurer la stabilité et le soutien des structures. Les padstones, souvent constitués de grosses pierres plates, servaient de simple fondation en répartissant le poids de la structure sur une plus grande surface et en soulevant le bois du sol, empêchant ainsi le contact direct avec le sol et l'humidité (Chappell, 2016). Cette technique était particulièrement utile dans les zones à ressources limitées ou pour les petites structures.

Les pierres Staddle, en revanche, étaient un type spécifique de padstone caractérisé par leur forme en forme de champignon. Ils étaient principalement utilisés pour soutenir les greniers et autres bâtiments agricoles, les élevant au-dessus du niveau du sol pour protéger les marchandises stockées de l'humidité, des ravageurs et des rongeurs (Harris, 2003). La conception unique des pierres de staddle a permis une meilleure circulation de l'air et un meilleur drainage, protégeant davantage le contenu de la structure. Les padstones et les staddle stones représentent les premières tentatives de création de fondations stables et durables, ouvrant la voie à des techniques plus avancées dans l'ingénierie des fondations modernes.

Fondations en pierre

Les fondations en pierre ont été une méthode répandue dans les techniques de construction historiques, en particulier dans les régions aux ressources en pierre abondantes. Ces fondations ont été construites à l'aide de pierres sèches ou de pierres posées dans du mortier, offrant une base stable et durable pour les structures. Les fondations en pierre sèche ont été construites en empilant soigneusement des pierres sans mortier, en s'appuyant sur leur poids et leur disposition pour maintenir la stabilité. Dans certains cas, la rangée supérieure de pierres a été taillée ou extraite pour améliorer l'apparence et la performance de la fondation (Chappell, 1999).

D'autre part, les fondations en pierre posées dans du mortier impliquaient l'utilisation d'un liant pour fixer les pierres en place, améliorant ainsi la résistance et la longévité globales de la fondation. Cette méthode était plus résistante aux facteurs environnementaux tels que le soulèvement par le gel et l'infiltration d'eau, qui pouvaient compromettre la stabilité des fondations en pierre sèche (Gibbons, 2001). Les fondations en pierre étaient privilégiées pour leur durabilité, leur capacité de charge et leur résistance aux forces naturelles, ce qui en faisait un choix populaire pour divers types de structures à travers l'histoire.

Fondations de tranchées en moellons

Les fondations de tranchées en moellons sont un type de système de fondation peu profonde qui consiste en une tranchée remplie de gravats ou de pierres. Cette méthode de fondation est particulièrement adaptée aux sols ayant une capacité portante de plus de 10 tonnes/m2 (2,000 1986 livres par pied carré) et est conçue pour s'étendre sous la ligne de gel pour éviter les dommages causés par le gel. La tranchée est souvent équipée d'un tuyau de drainage pour faciliter le drainage des eaux souterraines, réduisant ainsi le risque de problèmes liés à l'eau tels que l'érosion ou la pression hydrostatique. Dans la construction, les fondations de tranchées en moellons sont utilisées pour répartir uniformément le poids de la structure sur une plus grande surface, minimisant le risque de tassement différentiel et améliorant la stabilité globale du bâtiment. Cette technique de fondation a été utilisée dans divers types de structures, y compris des bâtiments résidentiels, commerciaux et industriels, en raison de sa rentabilité, de sa facilité de construction et de son adaptabilité à différentes conditions de sol (Fathy, 1995 ; Kennedy, XNUMX).

Types et techniques de fondation modernes

Les types et techniques de fondation modernes ont évolué pour répondre à diverses conditions de sol, exigences structurelles et facteurs environnementaux. Les fondations peu profondes, telles que les semelles étalées et les fondations en dalle sur terre-plein, sont couramment utilisées lorsque le sol a une capacité portante adéquate et que le poids de la structure peut être réparti sur une zone relativement petite. Les semelles isolées sont constituées de bandes ou de semelles de béton s'étendant sous la ligne de gel, transférant le poids des murs et des colonnes au sol ou au substratum rocheux. Les fondations sur dalle impliquent une dalle de béton coulée directement sur le sol, fournissant une base stable pour la structure au-dessus.

Les fondations profondes, en revanche, sont utilisées lorsque la capacité portante du sol est insuffisante ou que le poids de la structure doit être transféré à des couches plus profondes et plus stables. Les fondations sur pieux, un type de fondation profonde, impliquent d'enfoncer ou de percer de longues colonnes minces en acier, en béton ou en bois dans le sol pour soutenir la structure. Une autre technique de fondation profonde consiste à utiliser des caissons, qui sont de grandes structures cylindriques qui s'étendent à travers des couches de sol faibles pour atteindre des strates plus stables. Ces techniques de fondation modernes s'inspirent des principes de la mécanique des sols et de la géotechnique, assurant la stabilité et la longévité des structures qu'elles supportent (Das, 2010 ; Coduto et al., 2011).

Fondations peu profondes

Les fondations peu profondes, souvent appelées semelles, sont un choix répandu dans la construction moderne en raison de leur rentabilité et de leur facilité d'installation. Ces fondations sont généralement encastrées à environ un mètre dans le sol et sont conçues pour transférer le poids d'une structure au sol ou au substrat rocheux sous-jacent. Un type courant de fondation peu profonde est la semelle étalée, qui consiste en des bandes ou des coussinets de béton ou d'autres matériaux s'étendant sous la ligne de gel. Cette conception répartit efficacement la charge des murs et des colonnes, empêchant un tassement inégal et assurant la stabilité structurelle (Oasys, 2018).

Une autre fondation peu profonde largement utilisée est la fondation dalle sur sol, où une dalle de béton est coulée directement sur le sol, servant à la fois de fondation et de plancher de la structure. Cette méthode est particulièrement adaptée aux zones à nappe phréatique élevée ou aux sols expansifs, car elle minimise le risque d'intrusion d'humidité et de mouvement du sol affectant le bâtiment (Portland Cement Association, nd). Dans l'ensemble, les fondations peu profondes sont une option polyvalente et économique pour divers projets de construction, à condition que les conditions du sol et la capacité portante conviennent à la structure prévue.

Fondations profondes ET FORAGE

Les fondations profondes sont un élément crucial de la construction moderne, en particulier pour les structures et les bâtiments à grande échelle situés sur un sol faible ou instable. Ces fondations s'étendent considérablement sous la surface du sol, transférant la charge de la structure à des couches de sol ou à un substrat rocheux plus profonds et plus stables. Cela garantit la stabilité et la longévité de la structure en minimisant le risque de tassement ou de rupture dû à un support de sol inadéquat. Il existe différents types de fondations profondes, y compris les pieux, les puits forés et les caissons, chacun avec des applications et des avantages spécifiques en fonction des conditions du site et des exigences structurelles.

Les fondations sur pieux, par exemple, consistent en de longues colonnes minces faites de matériaux tels que l'acier, le béton ou le bois, qui sont enfoncées ou forées dans le sol. Les puits forés, également appelés caissons ou pieux forés, sont des éléments en béton de grand diamètre coulés sur place qui supportent les charges lourdes et les forces latérales. Ces systèmes de fondations profondes sont couramment utilisés dans la construction de gratte-ciel, de ponts et d'autres projets d'infrastructure à grande échelle, où les fondations peu profondes peuvent ne pas fournir un support adéquat. La sélection et la conception des fondations profondes sont guidées par les principes d'ingénierie géotechnique, qui impliquent l'étude de la mécanique des sols et de la mécanique des roches pour assurer la performance et la sécurité de la fondation (Das, BM, & Sivakugan, N. 2016).

Mécanique des sols et génie géotechnique dans la conception des fondations

La mécanique des sols et les principes d'ingénierie géotechnique jouent un rôle crucial dans la conception des fondations pour les projets de construction. Ces disciplines impliquent l'étude des propriétés, du comportement et de l'interaction du sol avec les structures, qui influencent directement la sélection et la conception des systèmes de fondation appropriés. L'objectif principal est de s'assurer que la fondation peut supporter en toute sécurité les charges imposées par la structure sans provoquer de tassement excessif ou d'instabilité.

L'un des aspects clés de l'ingénierie géotechnique est la caractérisation des propriétés du sol, telles que la résistance, la compressibilité et la perméabilité, par le biais d'enquêtes sur le terrain et d'essais en laboratoire. Cette information est utilisée pour déterminer la capacité portante du sol, qui est un paramètre critique dans la conception des fondations. De plus, les ingénieurs géotechniciens analysent le potentiel de dangers liés au sol, tels que la liquéfaction, l'instabilité des pentes et les sols expansifs, qui peuvent nuire aux performances de la fondation.

En intégrant la mécanique des sols et les principes d'ingénierie géotechnique, les ingénieurs peuvent sélectionner le type de fondation le plus approprié (peu profond ou profond) et concevoir les éléments de fondation (par exemple, semelles, pieux ou caissons) pour assurer la stabilité et la longévité de la structure. De plus, ces principes aident à traiter les facteurs environnementaux et à atténuer les risques potentiels associés à l'interaction sol-structure, contribuant ainsi à la sécurité et à la durabilité globales de l'environnement bâti.

Méthodes et matériaux de construction des fondations

Les méthodes et matériaux modernes de construction des fondations ont évolué pour répondre à diverses conditions de sol, exigences structurelles et facteurs environnementaux. Les fondations peu profondes, telles que les semelles étalées et les fondations dalle sur terre-plein, sont couramment utilisées pour les structures avec des charges plus légères et des conditions de sol stables. Ces fondations sont généralement constituées de bandes ou de semelles en béton s'étendant sous la ligne de gel, transférant le poids de la structure au sol ou au substratum rocheux (Winter et al., 2016).

Les fondations profondes, en revanche, sont utilisées lorsque les fondations peu profondes sont insuffisantes en raison de conditions de sol faibles ou instables. Les fondations sur pieux, les puits forés et les caissons sont des exemples de techniques de fondations profondes. Les fondations sur pieux impliquent d'enfoncer ou de forer de longues colonnes minces en acier, en béton ou en bois dans le sol pour transférer les charges vers des couches de sol ou un substrat rocheux plus profonds et plus stables (Das, 2010). Les puits forés et les caissons sont des éléments en béton de grand diamètre coulés sur place qui s'enfoncent profondément dans le sol, fournissant un support pour les charges lourdes et résistant aux forces latérales (O'Neill et Reese, 1999).

En plus des matériaux traditionnels comme le béton, l'acier et le bois, des matériaux innovants tels que les géosynthétiques et les polymères renforcés de fibres sont de plus en plus utilisés dans l'ingénierie des fondations pour améliorer les performances et la durabilité (Koerner, 2012 ; Nanni, 2003).

Problèmes de stabilité et de tassement des fondations

Les problèmes de stabilité et de tassement des fondations dans les projets de construction sont influencés par divers facteurs. L'un des principaux facteurs est le type de sol et sa capacité portante, qui déterminent la capacité de la fondation à supporter le poids de la structure sans tassement excessif ni rupture (Das, 2010). De plus, la présence d'eau souterraine et sa fluctuation peuvent entraîner des changements dans les propriétés du sol, affectant la performance de la fondation (Coduto et al., 2011).

Les charges externes, telles que celles des structures adjacentes ou des activités de construction, peuvent également avoir un impact sur la stabilité des fondations. De plus, les facteurs environnementaux, notamment les tremblements de terre, les inondations et les changements de température, peuvent entraîner des tassements différentiels et compromettre l'intégrité de la fondation (Briaud, 2013). Une bonne conception des fondations, tenant compte de ces facteurs et employant des principes d'ingénierie géotechnique, est cruciale pour assurer la stabilité et les performances à long terme de la structure.

Facteurs environnementaux affectant les fondations

Les facteurs environnementaux jouent un rôle important dans la stabilité et la performance des fondations dans les projets de construction. Un facteur crucial est le type de sol, car différents sols ont des capacités portantes variables, affectant le choix du type et de la conception des fondations (Bowles, 1996). De plus, les niveaux d'eau souterraine peuvent avoir un impact sur la stabilité des fondations, car des nappes phréatiques élevées peuvent entraîner une pression hydrostatique sur les murs des fondations, entraînant des problèmes structurels potentiels (Coduto et al., 2011). Le climat influe également sur la performance des fondations, des facteurs tels que les fluctuations de température, le soulèvement dû au gel et les précipitations affectant les propriétés du sol et le tassement des fondations (Holtz et Kovacs, 1981). L'activité sismique est un autre facteur environnemental à prendre en compte, car les tremblements de terre peuvent provoquer d'importants mouvements du sol et une liquéfaction du sol, entraînant la rupture des fondations (Kramer, 1996). Enfin, les facteurs d'origine humaine, tels que les activités de construction à proximité et les changements d'utilisation des terres, peuvent modifier l'environnement local et affecter la stabilité des fondations (Das, 2007). En conclusion, comprendre et traiter ces facteurs environnementaux est essentiel pour concevoir et construire des fondations qui assurent la stabilité et la performance à long terme des structures.

Inspection, entretien et réparation des fondations

L'inspection, l'entretien et la réparation des fondations sont des aspects cruciaux pour assurer la longévité et la stabilité d'une structure. Les méthodes d'inspection comprennent l'examen visuel, l'investigation géotechnique et les techniques de test non destructif telles que le radar pénétrant dans le sol et les tests par ultrasons. Ces méthodes aident à identifier les problèmes potentiels tels que les fissures, le tassement et l'infiltration d'eau (O'Connor et al., 2017).

L'entretien des fondations implique une surveillance régulière de la structure et de ses environs, la résolution des problèmes de drainage et la garantie d'un compactage approprié du sol. Il est essentiel de tenir compte de facteurs tels que le type de sol, les niveaux des eaux souterraines et les conditions environnementales lors de la planification des activités d'entretien (Das, 2010).

Les méthodes de réparation des fondations dépendent du type et de la gravité des dommages. Les techniques courantes comprennent le renforcement, qui consiste à renforcer la fondation existante en l'étendant à une couche de sol plus stable; le coulis, où un mélange cimentaire ou chimique est injecté dans le sol pour améliorer ses propriétés ; et l'installation de piliers hélicoïdaux ou de micropieux pour fournir un soutien supplémentaire à la fondation (Tomlinson et Woodward, 2008). Dans tous les cas, il est crucial de consulter des ingénieurs géotechniciens et des ingénieurs en structure expérimentés pour déterminer la méthode de réparation la plus appropriée pour une situation spécifique.

Études de cas et exemples d'ingénierie de fondation

L'ingénierie des fondations a été employée dans divers projets notables dans le monde entier, démontrant l'importance de fondations bien conçues pour assurer la stabilité structurelle. Un tel exemple est le Burj Khalifa à Dubaï, le plus haut bâtiment du monde, qui utilise un système de fondations profondes composé de 194 pieux forés s'étendant sur 50 mètres dans le sol pour supporter le poids immense de la structure (Al-Homoud, 2007). Une autre étude de cas est la construction du viaduc de Millau en France, le pont le plus haut du monde, qui a nécessité l'utilisation de fondations profondes sous la forme de puits forés de grand diamètre pour supporter les piles du pont et résister aux charges latérales (Baker et al., 2004) . En revanche, la construction de l'opéra de Sydney en Australie a utilisé un système de fondations peu profondes, composé d'une série de semelles et de poutres en béton, pour répartir uniformément le poids du bâtiment sur le sol sous-jacent (Murray, 2004). Ces exemples démontrent la diversité des techniques d'ingénierie des fondations utilisées dans différents projets, soulignant l'importance de sélectionner le type de fondation approprié en fonction des conditions spécifiques au site et des exigences structurelles.