Fondations profondes : types, conception et mise en œuvre

Quand les couches superficielles du sol ne sont pas aptes à supporter les charges de la construction à réaliser, il est opportun de transférer ces efforts aux couches plus profondes, à travers les fondations profondes.

Voyons quels types de fondations profondes sont généralement utilisés et quels outils de calcul structurel peuvent soutenir la conception.

Fondations directes et profondes : quelles différences

Par fondation, on entend l’unité technologique qui sert de liaison statique entre le bâtiment et le sol et qui a pour tâche de transmettre au sol les charges imposées à la construction. Ainsi, les structures en élévation, conjointement aux fondations et au sol, constituent un ensemble fonctionnel unique.

Pour concevoir les fondations, des données concernant l’ensemble fonctionnel sont indispensables et comprennent : 

• les caractéristiques du sol (déduites d’un plan d’investigations géologiques, géophysiques et géotechniques menées sur site et d’analyses en laboratoire) ;
• les charges transmises du bâtiment au sol (évaluées en fonction du type de structure à réaliser) ;
• la morphologie de la zone d’intervention (identifiée par des relevés sur le terrain effectués avec différentes techniques d’acquisition de données) ;
• la profondeur du plan de pose des fondations.

Sur la base de ces données, il est important que le concepteur choisisse le type de fondation en fonction de la morphologie (surface d’appui, etc.), du comportement statique, des caractéristiques du sol sur lequel elles reposent.

Macroscopiquement, les fondations peuvent être classées en : 

• directes, lorsqu’elles transmettent les charges de la construction aux couches les plus superficielles du sol (fondations de dalle, sur semelles, etc.) ;
• profondes, lorsqu’elles transfèrent les efforts aux couches les plus profondes du sol (fondations sur pieux, micropieux, etc.).

À leur tour, ces macro catégories se divisent en sous-catégories supplémentaires, en fonction de leur morphologie et de la manière dont les charges sont transférées.

Configurations de fondations sur poteaux

Ci-dessous, nous approfondissons les types et caractéristiques des fondations indirectes.

Pour en savoir plus sur les fondations directes, consultez cet article Fondations directes : types et méthodes de conception BIM.

Qu’est-ce que les fondations indirectes

Les fondations indirectes, ou fondations profondes, sont des éléments structuraux utilisés pour transférer la charge d’une structure de construction au sol en dessous à travers des couches de sol plus stables et capables de supporter le poids. Ce type de fondation est essentiel lorsque le sol superficiel est inadapté pour supporter le poids de la construction ou lorsqu’il est nécessaire d’atteindre des couches plus compactes et résistantes.

Fondations sur pieux

Types de fondations profondes indirectes

Les fondations profondes indirectes peuvent être divisées en différentes typologies, parmi lesquelles : 

• poteaux battus ou forés : éléments structuraux verticaux atteignant la profondeur requise par battage ou forage, avec ou sans excavation de terrain. Ils sont réalisés avec différentes techniques et technologies et en différents matériaux, parmi lesquels : 
  • bois, principalement utilisés dans la construction historique, ont généralement un diamètre d’environ 20 cm et une longueur maximale comprise entre 8 et 10 m ;
  • béton armé, avec un diamètre généralement d’environ 30 cm, peuvent atteindre jusqu’à 30 m de profondeur, garantissant résistance et durabilité dans le temps ;
  • bentonite, matériau argileux dérivé de l’altération de roches effusives vitreuses. Au contact de l’eau, elle devient un gel imperméable et hydrofuge, caractérisé par une augmentation significative de volume (15 à 20 fois supérieur à celui initial) et par une absorption telle que la masse atteint un poids 5 fois supérieur à celui d’une quantité égale de matériau sec. Ces types de pieux sont utilisés en présence de sols particulièrement incohérents ou de nappes phréatiques très superficielles ;
  • Franki, le tube en forme métallique est caractérisé par une pointe en béton. Une fois enfoncée dans le sol, la pointe en béton constituera la base du pieu, reposant sur la couche de sol la plus résistante, à la cote choisie ;
  • Simplex, constitué d’un tube en forme avec pointe ouvrable. Le tube en forme métallique est enfoncé dans le sol, empêchant ainsi que le sol excavé ne soit envahi par des débris pendant le coulage. Une fois enfoncé dans le sol, la pointe est ouverte pour permettre le coulage de béton. À la fin de l’opération, le tube est retiré ;
  • Benoto, type particulier de pieu foré, caractérisé par des diamètres importants (jusqu’à 2 m), adapté pour supporter des charges très importantes (de l’ordre de plusieurs tonnes).
• micropieux (ou petits pieux) : similaires aux pieux de fondation forés mais de dimensions réduites (diamètre généralement compris entre 10 et 30 cm), les micropieux sont utilisés lorsque l’espace est limité ou lorsqu’un impact moindre sur le sol environnant est nécessaire, ainsi que pour des travaux de consolidation du sol en plus d’être un élément de fondation pour les structures en élévation. Ils peuvent atteindre des profondeurs comprises entre 2 et 50 m.

Types de fondations profondes et indirectes

Technologie d’exécution des fondations profondes

La réalisation des fondations profondes est un processus complexe qui nécessite l’utilisation d’équipements spécialisés. Ce processus permet la création de « colonnes » en béton armé à l’intérieur du sol, avec la base placée à des profondeurs significatives, correspondant à des couches de sol présentant des caractéristiques mécaniques de résistance à la charge adéquates. Grâce à ce système, il est possible de transférer les forces de charge de la surface aux couches plus profondes et généralement plus résistantes du sol, permettant la réalisation de fondations stables même en présence de sols ayant des caractéristiques mécaniques faibles. Il existe différentes techniques pour la réalisation de fondations profondes, telles que les pieux CFA (Continuos Flight Auger) ou à hélice continue, les pieux FDP (Full Displacement Pile), etc.

Voici les principales phases impliquées dans le processus d’exécution des fondations profondes : 

• forage rotatif : la première phase consiste à forer le sol à l’aide d’une foreuse hydraulique équipée de divers outils adaptés au type de sol. Différents outils sont utilisés tels que la tarière centrifuge pour les sols de faible et moyenne consistance ou les sols meubles, les tarières à spirale dotées de différents types de dentures pour traverser les couches rocheuses, et les carotteuses avec des pointes pour affronter les roches ou les sols plus durs ;
• pose de l’armature : une fois les déblais de forage enlevés, on procède à l’insertion à l’intérieur du trou d’une cage métallique préassemblée, formée de barres longitudinales enroulées dans une spirale soudée. Cette cage métallique constitue l’armature du pieu, augmentant la résistance structurelle et fournissant un support lors du coulage du béton  ;
• coulage du béton : la phase finale consiste à couler le béton à l’intérieur du trou de forage. Une fois le béton mûr techniquement, il formera un corps unique avec l’armature en acier préalablement posée. Le béton est généralement versé à l’aide de pompes spéciales ou en utilisant des camions malaxeurs, puis est compacté pour éliminer les éventuelles bulles d’air et assurer une distribution uniforme.

Il est important de se rappeler que, en fonction du type de sol, de la présence éventuelle de la nappe phréatique ou des besoins d’exécution et de conception spécifiques, deux principales technologies pour le forage de petits pieux sont distinguées : 

• rotatif ou roto-percussion avec circulation de fluide utilisé comme moyen de désagrégation et de transport des déblais de forage. Généralement utilisé dans les sols cohésifs et incohérents sous nappe phréatique. Le fonctionnement implique la rotation d’un burin, placé à la base d’une batterie, qui en tournant brise le sol (c’est pourquoi la technique est également appelée «forage par destruction du noyau»). La circulation du fluide de forage (composé de boue benthonique ou de polymères) pompé à l’intérieur du trou a pour but de refroidir et lubrifier le burin, d’éliminer les débris et de stabiliser les parois du trou pendant les opérations de forage. Les composants de l’installation de forage doivent être dimensionnés en fonction de la profondeur à atteindre, du diamètre du pieu à réaliser et du type de sol à forer ;
• roto-percussion avec marteau fond de trou et extraction des déblais à l’air comprimé sans utilisation de fluides de forage ; généralement utilisé dans les sols de nature incohérente en l’absence de nappe phréatique.

et deux modes de coulage du béton : 

• en une seule coulée à basse pression, à travers le tube d’armature, obtenant un enrobage de l’élément en acier suffisamment uniforme (diamètres usuels 13 -30 cm) ;
• en plusieurs coulées à haute pression, à l’aide de clapets anti-retour, afin d’augmenter le débit même en présence de sols médiocres (diamètres usuels 10 – 20 cm).

Micropieux auto forants : qu’est-ce que c’est

Les micropieux auto forants représentent une solution innovante dans le domaine des fondations, offrant une combinaison de rapidité, d’efficacité et de résistance. Ce type de micropieu est réalisé par l’enfoncement dans le sol par roto-percussion d’une barre en acier creuse filetée, munie d’une pointe de forage jetable. Pendant le processus, une boue cimentée est utilisée comme fluide de forage et de lavage.

Le processus de réalisation des micropieux auto forants comprend : 

• forage et insertion de la barre : le forage commence par l’enfoncement de la barre dans le sol, à l’aide de machines spécialisées. La barre est conçue pour intercepter la couche de sol résistante, assurant une base stable pour le transfert de la charge structurale ;
• création du bulbe cimenté : pendant le forage, un bulbe cimenté se forme autour de la barre, agissant comme un élément d’ancrage, permettant le transfert de charge au sol environnant. Ce processus est essentiel pour garantir la stabilité et la résistance de la fondation ;
• protection contre la corrosion : la cimentation du bulbe garantit non seulement la stabilité structurelle, mais protège également la barre en acier contre la corrosion, prolongeant sa durée de vie et assurant la sécurité à long terme de la structure.

Le processus de réalisation se déroule en une seule phase, comprenant le forage, l’insertion de la barre et la cimentation. Cela rend la technique particulièrement rapide et efficace, réduisant les délais de construction et les coûts globaux du projet.

Contrairement à d’autres techniques, il n’est pas nécessaire de retirer le sol pendant le forage, ce qui rend les micropieux auto forants idéaux pour les sites où la contamination du sol et l’élimination des déblais seraient problématiques et coûteuses.

Cette technique a divers domaines d’application, notamment : 

• consolidation ou intégration de fondations et bâtiments existants ou en construction ;
• consolidation d’infrastructures de différents types ;
• consolidation de pentes et de petits glissements de terrain ;
• consolidation de chaussées industrielles pour permettre des augmentations de capacité.

De plus, la polyvalence des micropieux auto forants permet également de réaliser des pieux inclinés pour optimiser le transfert des charges en profondeur ou de forer une fondation existante pour la consolider ou l’intégrer. Grâce à leurs nombreux avantages et aux différentes applications possibles, les micropieux auto forants représentent une solution fiable et efficace pour les défis géotechniques et structurels dans divers contextes de construction et de génie civil.

Outils de conception pour les fondations indirectes

Avant la phase de chantier et d’exécution des pieux et micropieux de fondation, il est nécessaire de relever tous les défis liés au projet.

L’utilisation d’un logiciel BIM pour le calcul de structure offre des avantages significatifs dans la conception des pieux de fondation et des fondations indirectes en général. Tout d’abord, les logiciels BIM permettent de créer des modèles numériques détaillés et précis de la structure du bâtiment et du sol environnant, intégrant des informations géométriques, structurelles et géotechniques dans un seul modèle. Cette approche permet une évaluation plus complète et précise des conditions du site et des besoins structurels, permettant de prendre des décisions éclairées lors de la conception des fondations.

De plus, les logiciels BIM offrent des outils avancés pour l’analyse structurelle et la simulation du comportement des pieux de fondation sous différentes charges et conditions de charge. Ces outils permettent d’évaluer l’aptitude des poteaux conçus à supporter la charge prévue et d’identifier d’éventuelles zones critiques ou de surcharge. De plus, la capacité à effectuer des analyses dynamiques et à simuler le comportement sismique des pieux permet d’améliorer la sécurité et la stabilité de la structure en cas d’événements sismiques.

Un autre avantage significatif de l’utilisation du logiciel BIM pour le calcul structurel est la possibilité d’optimiser la conception des pieux de fondation en fonction des besoins spécifiques du projet. Les concepteurs peuvent explorer une large gamme de solutions de fondation et évaluer rapidement l’impact de différentes options sur les performances structurelles et les coûts. Cela permet d’identifier la solution optimale qui maximise l’efficacité structurelle et minimise les coûts de construction.

Enfin, l’intégration des modèles BIM avec d’autres logiciels et plateformes de gestion BIM permet une plus grande collaboration et coordination entre les différents membres de l’équipe de conception et les parties prenantes. Cela favorise une communication plus efficace, réduit le risque d’erreurs et de conflits pendant la phase de construction et améliore la livraison globale du projet.

Voici une vidéo qui vous montre comment insérer des pieux de fondation dans un modèle BIM, en utilisant un logiciel calcul de  structure.