Les fondations superficielles: Réf.: TBA1260

Réf. : TBA1260

Date de publication : 01 décembre 2012

Les fondations superficielles

Cet article est issu de : Construction et travaux publics | Techniques du bâtiment : l'enveloppe du bâtiment

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Les fondations superficielles

   7    0    1  .    0    3  .    7    6    1  .    4    9    1    /    /   s   n   a   e    l   r   o    '    d   e    t    i   s   r   e   v    i   n   u      1    1    8    8    3    0    0    0    2    7   e    d   e    t   p   m   o   c   e    l   r   u   o   p   e   r   v    i    l   e    d   e    t   e   a    t   n   e   m   u   c   o    d   e    C      2    1    0    2   e   r    b   m   e   c    é    d   :   n   o    i    t   u   r   a    P

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I – Présentation – Généralités .................................................................... II – Ouvrages visés...................................................................................... III – Problématique des ouvrages de fondations et des ouvrages enterrés A. Données des problèmes..................................................................... 1. le milieu « sol »................................................................................. 2. La présence de l’eau tellurique (nappe phréatique) ...................... 3. La situation de l’ouvrage.................................................................. 4. Drainage............................................................................................ 5. Ouvrages enterrés............................................................................ 6. Environnement de l’ouvrage ........................................................... B. Fonctions à remplir et exigences....................................................... 1. Reprise des charges ......................................................................... 2. Conditions de stabilité...................................................................... 3. Nature des sollicitations................................................................... a) Sollicitations dues à la superstructure........................................ b) Sollicitations dues au sol de fondation (infrastructures) .......... 4. Résistance du sol de fondation ....................................................... IV – Classement des fondations................................................................. V – Matériaux utilisés ................................................................................. A. Fondations........................................................................................... B. Cuvelages............................................................................................. C. Ouvrages de drainage.........................................................................

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-2 2 2 2 2 3 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 7 8 8 8 8

es ouvrages de fondations correspondent aux ouvrages proprement dits  ou aux parties de la structure qui transmettent les charges et sollicitations  au « sol de fondation » ou ensemble des couches aptes à supporter sans défor-  mations (tassements) ni rupture (effondrement) ces sollicitations. Les fondations superficielles sont caractérisées par leur faible profondeur  d’ancrage dans le sol ; elles présentent généralement une semelle réalisée en  béton armé. Cette caractéristique les différencie des fondations dites  « profondes » (qui ont donc une profondeur d’ancrage bien plus importante). Ce type de fondation fait l’objet d’un article spécifique TBA1265Fondations  profondes auquel le lecteur pourra se reporter pour plus d’informations sur le  sujet.

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LES FONDATIONS SUPERFICIELLES

I - PRÉSENTATION – GÉNÉRALITÉS Les habitations individuelles ne comportent souvent que des fondations superficielles avec un vide sanitaire (non accessible généralement) ou un sous-sol à usage de garage, caves ou locaux techniques (chaufferie, par exemple) ou encore un dallage établi sur terre-plein. Les constructions d’immeubles en zone urbaine nécessitent souvent de nombreux sous-sols enterrés (3 et plus) pour permettre le garage des véhicules et les dispositions d’accès (rampes ou monte-voitures). Les problèmes sont souvent complexes du fait :  – de bâtiments existants fondés moins profond ou différemment ;  – de la présence d’eau souterraine (nappe phréatique). En ce qui concerne les locaux enterrés, et selon leurs exigences d’utilisation, des problèmes spécifiques peuvent intervenir :  – isolation thermique des parois et ventilation des locaux ;  – étanchéité des parois, etc.    7    0    1  .    0    3  .    7    6    1  .    4    9    1    /    /   s   n   a   e    l   r   o    '    d   e    t    i   s   r   e   v    i   n   u      1    1    8    8    3    0    0    0    2    7   e    d   e    t   p   m   o   c   e    l   r   u   o   p   e   r   v    i    l   e    d   e    t   e   a    t   n   e   m   u   c   o    d   e    C      2    1    0    2   e   r    b   m   e   c    é    d   :   n   o    i    t   u   r   a    P

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Ne sont traités ici que :  – les ouvrages de bâtiment, à l’exclusion des ouvrages de génie civil ;  – les ouvrages neufs où la conception tenant compte des différentes exigences définies au programme de construction peut intervenir au niveau du projet. Les différents problèmes qui peuvent se poser pour chaque cas de figure seront rappelés sommairement. Les indications ne constituent que des dispositions-types permettant de « dégrossir » les problèmes de construction et de prédimensionner les ouvrages. Elles ne peuvent dispenser le projeteur d’une étude spécialisée faisant appel :

Une catégorie traitée séparément peut à la fois se rattacher aux fondations superficielles et aux fondations profondes : les radiers. Ceux-ci sont à traiter en cuvelage avec des règles spécifiques s’ils sont placés dans une nappe phréatique où ils subissent l’effet des sous-pressions et pressions extérieures. Ouvrages enterrés – Ces ouvrages correspondent aux murs

ou voiles périmétriques extérieurs (en contact avec le sol) et aux murs ou voiles de refends intérieurs ainsi qu’aux poteaux ou piles de structure. Le rôle de ces ouvrages consiste à transmettre les sollicitations de la structure aux fondations.

Pour les ouvrages en contact avec l’extérieur, ils jouent le rôle de soutènement des terres et doivent résister à la poussée hydrostatique d’une nappe phréatique éventuelle. Cuvelages – Ces ouvrages sont placés dans une nappe

phréatique. Ils comportent des ouvrages de fondation :  – radier fondé directement sur le sol ;  – radier fondé sur massifs et pieux,

ainsi que des ouvrages étanches à l’eau (nappe phréatique extérieure). Dallages – Il s’agit principalement des ouvrages plans hori-

zontaux posés directement sur le sol et destinés à constituer des aires de circulation, travail, stockage, etc.

Ces ouvrages sont rattachés aux fondations et peuvent dans certains cas (maisons individuelles) constituer les fondations de certains types de constructions légères ou traditionnelles. Ouvrages de drainage – Ces ouvrages sont des ouvrages

enterrés, disposés en périmétrie des murs ou voiles. Ils sont destinés à canaliser les eaux d’infiltrations afin d’éviter qu’elles s’accumulent contre les ouvrages enterrés et qu’elles risquent de pénétrer à l’intérieur des locaux où d’interférer sur les propriétés du sol de fondations.

 – aux renseignements de base fournis par une « reconnaissance de sol » approfondie (sondage-essais) ;  – à une étude de structure fournissant les sollicitations à transmettre au sol de fondation.

III - P ROBLÉMATIQUE

Toute improvisation ou exploitation « non concertée » des éléments donnés par les fiches suivantes pourrait conduire à des désordres ou sinistres graves et difficiles à traiter au niveau des réparations.

A. Données des problèmes 

Pour plus de renseignements sur les calculs de définitions et de réalisations des fondations superficielles, nous conseillons au lecteur de se reporter au site : http://www.techniquesingenieur.fr/ (Article C246).

II - OUVRAGES

VISÉS

DES OUVRAGES DE FONDATIONS ET DES OUVRAGES ENTERRÉS

1. le milieu « sol » Reconnaissance du sol et type de fondations – Il doit être

parfaitement défini dans la zone de construction pour l’établissement du projet de fondation et le choix du mode de fondation (superficiel ou profond). La reconnaissance du sol, avec sondages, essais (laboratoire ou in situ ) est indispensable.

Catégories de fondations – Elles se divisent en deux caté-

gories principales :

À partir de ces données, le géotechnicien déterminera la solution optimale pour le mode de fondations.

 – fondations superficielles ;  – fondations profondes.

Le milieu « sol » qui reçoit les sollicitations d’une structure (bâtiment, ouvrage, etc.) ne pourra jamais être défini ou

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LES FONDATIONS SUPERFICIELLES

reconnu complètement du fait de son hétérogénéité en plan et en profondeur, ceci malgré les investigations diverses de type général ou ponctuelles ( cf. Fig. 1).

Par contre, la structure pourra être déterminée avec le maximum de précision au niveau de sa conception et de sa réalisation ; elle transmettra au milieu « sol » des sollicitations qui pourront être définies de manière très précise. 2. La présence de l’eau tellurique (nappe phréatique) Nappe phréatique – Elle doit être décelée et déterminée en

ce qui concerne le niveau maximal.

Compte tenu des phénomènes de sécheresse intervenue lors des dernières années et qui ont fortement abaissé le niveau des nappes phréatiques, il y a lieu de se renseigner sur la position de ces nappes dans les périodes antérieures.

Ensemble connu

L’eau joue un rôle essentiel dans le comportement des sols qui peuvent subir des déformations (gonflement, retrait) donc entraîner des tassements des constructions ou des changements d’état (liquéfaction avec perte de portance).

Milieu ? Sol

La reconnaissance du sol dont les opérations sont schématisées ci-après est indispensable et fondamentale ( cf. Fig. 2).

Fig. 1 : Schématisation du problème des constructions.

Problème posé

   7    0    1  .    0    3  .    7    6    1  .    4    9    1    /    /   s   n   a   e    l   r   o    '    d   e    t    i   s   r   e   v    i   n   u      1    1    8    8    3    0    0    0    2    7   e    d   e    t   p   m   o   c   e    l   r   u   o   p   e   r   v    i    l   e    d   e    t   e   a    t   n   e   m   u   c   o    d   e    C      2    1    0    2   e   r    b   m   e   c    é    d   :   n   o    i    t   u   r   a    P

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Reconnaissance de base

Résultats généraux Approfondissements du problème pour confirmer les résultats et éclaircir les points douteux

 – géologique  – géomorphologique  – topographie  – cartes topographiques  – cartes géologiques  – observation directe  – organismes de documentation

Opérations mécaniques  – géophysiques   gravimétrie   électrique   sismiques

Reconnaissance approfondie

Opérations mécaniques  – puits, tranchées, forages à la tarière, forages rotatifs, carottages Essais in situ 

Résultats détaillés et conclusions finales

Essais en laboratoire

Fig. 2 : Schéma d’une reconnaissance de sol.

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LES FONDATIONS SUPERFICIELLES

L’environnement de la construction, selon que celle-ci est isolée ou au contraire insérée entre des constructions existantes, déterminera le choix du système de cuvelage (par l’extérieur ou par l’intérieur). Mais ce choix devra être fait au moment de la conception et du calcul des ouvrages.

3. La situation de l’ouvrage

On distingue :  – les constructions en site dégagé ;  – les constructions en site urbain, à proximité immédiate (mitoyenne) d’autres ouvrages existants ;  – la présence d’anciennes carrières souterraines remblayées ;  – les constructions en zone sismique ;  – les constructions en bordure de mer (attaque, corrosion béton, métaux, etc.).

6. Environnement de l’ouvrage

Pour les bâtiments fondés superficiellement, il importe de se préoccuper :  – de la végétation aux abords de l’ouvrage à construire. Le système racinaire de certains arbres correspond à un développement égal à la hauteur de l’arbre parvenu à son stade adulte ;  – de l’apport des eaux de surface ou collecte des toitures.

4. Drainage

Sauf dans le cas des cuvelages spécialement conçus pour tenir compte des poussées hydrostatiques de la nappe phréatique, l’eau du sol ne doit pas s’accumuler contre les parois extérieures d’un ouvrage enterré ou à proximité des fondations.

B. Fonctions à remplir et exigences 

Les ouvrages de drainage périmétriques sont à prévoir à chaque fois que cela est nécessaire.

1. Reprise des charges

L’étude doit tenir compte de l’environnement de la construction et de la configuration du sol et du sous-sol aux abords de la construction.

Les ouvrages de fondation ont pour fonction essentielle de reprendre les charges et plus généralement les sollicitations amenées par la structure ou superstructure et à transmettre ces sollicitations au sol (dit de fondation) dans les conditions satisfaisantes pour assurer la stabilité de l’ouvrage.

5. Ouvrages enterrés

   7    0    1  .    0    3  .    7    6    1  .    4    9    1    /    /   s   n   a   e    l   r   o    '    d   e    t    i   s   r   e   v    i   n   u      1    1    8    8    3    0    0    0    2    7   e    d   e    t   p   m   o   c   e    l   r   u   o   p   e   r   v    i    l   e    d   e    t   e   a    t   n   e   m   u   c   o    d   e    C      2    1    0    2   e   r    b   m   e   c    é    d   :   n   o    i    t   u   r   a    P

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La présence de l’eau dans le sol sous forme d’une nappe phréatique à niveau variable pose des problèmes de stabilité (poussée hydrostatique) et d’étanchéité pour les locaux enterrés. C’est surtout la présence de l’eau en permanence (nappe phréatique) qui va nécessiter des ouvrages de conception spécifique pour tenir compte de la pression exercée sur les parois (radiers-voiles) et adopter la solution « cuvelage ».

2. Conditions de stabilité

Les conditions de stabilité d’un ouvrage reposant sur le sol de fondation doivent conduire, avec des coefficients de sécurité suffisants, à respecter le principe fondamental de l’égalité des actions transmises par la structure ( P) avec les réactions développées par le sol ( R) ( cf. Fig. 3).

P

Σ

R > ΣP

Σ

Fig. 3 : Principe (simplifié) de la stabilité d’une fondation.

Stabilité : le terrain d’assise – Il ne doit pas tasser sous les

massifs de fondation. En fait, ces tassements existent sauf sur les sols rocheux sur lesquels ils sont pratiquement nuls. L’exigence essentielle est de limiter ces tassements à des valeurs admissibles et prévisibles, compatibles avec l’ouvrage à construire. Ces tassements doivent être sensiblement uniformes et ne doivent pas évoluer dans le temps. Il y a donc lieu d’éviter les tassements différentiels d’un massif de fondation à un autre. Stabilité et nappe phréatique – La présence d’eau dans le sol

sous forme d’une nappe phréatique risque d’amener des poussées (soulèvements) pouvant compromettre la stabilité de l’ouvrage. Ces risques sont accrus en cas de variation du niveau de la nappe dans le temps. Les circulations d’eau dans le sol sont susceptibles, par le déplacement des éléments fins, de perturber la stabilité des fondations. Lorsque l’influence de

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la nappe phréatique est variable, elle est considérée dans le cas le plus défavorable pour la stabilité. Il y a lieu d’en tenir compte avec un coefficient de sécurité suffisant ( cf. Fig. 4 et 5). Stabilité et forces horizontales – L’effet des forces horizon-

tales sur une structure (effet du vent, poussée des terres) ne doit pas entraîner de déplacement sous forme :

 – de translations, soit de la structure soit des fondations par rapport au sol ;  – de rotations (moment de renversement) ( cf. Fig. 6 et 7). Les forces horizontales correspondent :  – aux pressions du vent sur la façade amont ;  – à la poussée des terres sur paroi enterrée amont (diminuée de la valeur de la poussée sur la paroi aval éventuellement).

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1

2

4

3

2 Couches de terrain perméables 3 Couche de terrain imperméable 4 Nappe phréatique captive

Fig. 4 : Nappe phréatique « captive ».

3. Nature des sollicitations

b) Sollicitations dues au sol de fondation (infrastructures)

a) Sollicitations dues à la superstructure 

Il s’agit :  – des forces verticales descendantes (charges permanentes, charges de service ou d’exploitation, etc.) ;  – des forces horizontales dues à l’effet (pression) du vent sur la façade exposée. Ces forces sont appliquées à mi-hauteur du bâtiment et créent par rapport au niveau des fondations, un moment de renversement. M = a.P avec : a = distance entre axes murs de façade ; - p = effort de soulèvement sur façade amont exposée au vent et à la poussée des terres ; + p = effort supplémentaire vertical chargeant la façade aval, opposée au vent. Éventuellement, pour des bâtiments de forme non rectangulaire (exemple bâtiment en forme de L), effets de torsion.

Ce sont :  – les forces verticales : ascendantes et descendantes dues au moment de renversement du vent. Réactions du sol de fondation ;  – les forces verticales ascendantes : sous pressions sur un radier cuvelage ;  – les forces obliques (poussées, frottement des terres sur parois extérieures, etc.) ;  – les forces horizontales : poussées hydrostatiques extérieures (nappe phréatique). 4. Résistance du sol de fondation

L’élément essentiel à considérer est la stabilité du sol de fondation dans le temps. La mécanique des sols permet à partir des éléments fournis par la reconnaissance du milieu « sol » de déterminer le projet de fondation et en particulier :  – le niveau du sol d’assise (fondations superficielles ou profondes) ;  – le niveau de la nappe phréatique éventuelle (cuvelage) ;  – les circulations d’eau à l’intérieur du sol (risques d’affouillement) ;  – les caractéristiques du sol d’assise : - force portante ; - tassements prévisibles, etc.

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A - État initial 1

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3

4

Présence d’eau (nappe) B - État après construction    7    0    1  .    0    3  .    7    6    1  .    4    9    1    /    /   s   n   a   e    l   r   o    '    d   e    t    i   s   r   e   v    i   n   u      1    1    8    8    3    0    0    0    2    7   e    d   e    t   p   m   o   c   e    l   r   u   o   p   e   r   v    i    l   e    d   e    t   e   a    t   n   e   m   u   c   o    d   e    C      2    1    0    2   e   r    b   m   e   c    é    d   :   n   o    i    t   u   r   a    P

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1

2

4A

4B

p

∆

Couches de terrain perméables Couche de terrain imperméable Ligne de courant Accumulation d'eau en amont par effet « barrage » Rabattement niveau à l’aval ∆p Différence de pression hydrostatique (perte de charge)

1 2 3 4 4A 4B

Fig. 5 : Construction d’un bâtiment dans un terrain parcouru par un courant.

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LES FONDATIONS SUPERFICIELLES

M

Rv = Résultante efforts du vent Rp = Résultante charges verticales RG = Résultante R V et RP RT = Efforts dus à la poussée des terres

Rv

M = Moment de renversement dû au vent ±P=M a = Effets du vent a = Distance entre axe des façades Rp RT

RT -P

RG

+P

a Fig. 6 : Combinaison des charges verticales et sollicitations horizontales.

   7    0    1  .    0    3  .    7    6    1  .    4    9    1    /    /   s   n   a   e    l   r   o    '    d   e    t    i   s   r   e   v    i   n   u      1    1    8    8    3    0    0    0    2    7   e    d   e    t   p   m   o   c   e    l   r   u   o   p   e   r   v    i    l   e    d   e    t   e   a    t   n   e   m   u   c   o    d   e    C      2    1    0    2   e   r    b   m   e   c    é    d   :   n   o    i    t   u   r   a    P

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Rv = Résultante efforts du vent Rp = Résultante charges verticales RG = Résultante R V et RP Rv

M = Moment de renversement dû au vent ±P=M a = Effets du vent a = Distance entre axe des façades TN = Terrain naturel RT = Poussée des terres amont R’T = Poussée des terres aval ≠ 0

M

 TN

Rp

R T

R’ T

-P

RG

+P

a

Fig. 7 : Bâtiment construit sur une pente.

La mécanique des sols est une science expérimentale qui permet :  – de classer les sols de fondation en définissant leurs caractéristiques mécaniques ;  – de définir le taux de travail (ou contrainte) admissible sur un sol déterminé à une profondeur choisie et de connaître les règles de répartition des pressions et contraintes à l’intérieur d’un sol d’assise sous un ouvrage déterminé ;  – d’apprécier la valeur des tassements prévisibles dont les limites peuvent être déterminées.

IV - CLASSEMENT

DES FONDATIONS

Classement des fondations d’après le DTU 13.11 – « Lorsque

le rapport de la largeur B à la hauteur D d’une fondation est inférieur à 1/6 et que la hauteur est supérieure à 3 mètres, il s’agit de fondations profondes relevant du DTU 13.2 ». Dans tous les autres cas, il s’agit de fondations superficielles.

À noter  Cette nouvelle définition abandonne la notion précédente de fondations semi-profondes ( cf. Fig. 8).

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LES FONDATIONS SUPERFICIELLES

0

0,5

1

1,5

2

Bm (Largeur)

1 2

Fondations superficielles

3 4 5 6 7

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Fondations profondes

Dm (Hauteur) Fig. 8 : Classement des fondations.

 V - M   ATÉRIAUX

résistant à la pénétration d’eau sous pression relèvent de deux techniques différentes :

UTILISÉS

A. Fondations  Les matériaux utilisés pour les fondations sont principalement :

 – revêtements d’imperméabilisation intérieurs. Ils sont à base de liants hydrauliques ou de résines polymérisables ;  – revêtements d’étanchéité extérieurs. Ils sont à base bitumineuse ou à base synthétique (membranes).

• les maçonneries :  – béton coulé ou béton cyclopéen (comportant des gros blocs) pour les puits de fondation ;  – béton armé par semelles ou radiers (cas général) ;  – béton armé ou précontraint pour les pieux préfabriqués battus ou pour les pieux coulés sur place. Certains pieux peuvent être armés partiellement en tête ;  – granulats divers (sable-ballast) pour certains types de pieux (pieux de sable ou colonnes ballastées) ; • l’acier pour :  – pieux métalliques ;  – palplanches (palpieux) ;  – armatures de béton armé ou précontraint, etc. • le bois pour les pieux en zone immergée (essences diverses).

B. Cuvelages  Ces ouvrages sont réalisés uniquement en béton armé. Les ouvrages complémentaires permettant de réaliser un ouvrage

TBA1260 - 8

C. Ouvrages de drainage  Les matériaux mis en œuvre renvoient à deux techniques : • une technique courante ou traditionnelle :  – drain constitué de cailloux ou granulats de différentes grosseurs ;  – ou encore drain poterie ou éléments spéciaux ; • une technique moderne ou évoluée :  – élément filtrant comprenant gros éléments en cailloux et géotextile enveloppant (non-tissé synthétique) ;  – plaques drainantes préfabriquées synthétiques, pouvant assurer une protection mécanique des revêtements d’étanchéité appliqués sur maçonnerie ;  – drains spéciaux synthétiques (PVC, polyéthylène, etc.). Bibliographie :  Détails de Construction – Fondations, Struc-  tures, Gros œuvre   – Éditions Weka (Cet ouvrage n’est plus

commercialisé).

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I.

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