Méthodes de conception et étude du comportement sismique des fondations superficielles sur sol naturel et traité, considérant l'interaction sol-structure

Dans les méthodes actuellement préconisées par les codes et normes, l’évaluation de la capacité portante des sols non liquéfiables pour un chargement sismique se fait à l’aide de méthodes statiques, comme préconisé par le Manuel Canadien d’Ingénierie des Fondations (MCIF). Les méthodes des courbes enveloppes, ou les méthodes pseudo dynamiques basées sur un calcul en plasticité pourraient être utilisées afin d’améliorer la conception. Pour les sols liquéfiables ou présentant des paramètres géotechniques faibles, les fondations profondes sont souvent privilégiées. Mais il peut être parfois plus économique d’envisager un traitement de sol (comme le vibroremplacement) et un système de fondation superficiel. Cependant, le comportement sismique de ce type de système est encore mal connu. Plusieurs chercheurs ont récemment déterminé des facteurs de capacité portante pour les conditions dynamiques prenant en compte ces forces inertielles dans le sol (Richards, Pecker, Fishman, Choudhury). Pour représenter adéquatement un chargement complexe, il est préférable de choisir une courbe enveloppe plutôt qu’une méthode classique d’évaluation de la capacité portante. Les courbes enveloppes expérimentales pour des chargements pseudostatiques ont été développées récemment. Des courbes enveloppes théoriques sont actuellement présentées dans l’Eurocode 8 et tiennent compte des forces d’inertie dans le sol. Une analyse comparative indique que les méthodes classiques surestiment la résistance en moment. Le vibroremplacement permet (i) de diminuer le potentiel de liquéfaction d’un sol et (ii) d’améliorer les propriétés du sol situé entre les colonnes de ballast. Plusieurs méthodes permettent d’évaluer les effets du vibroremplacement. La méthode de Priebe consiste à estimer les propriétés du sol homogène équivalent. Baez Satizabal propose des équations, basées sur des mesures in situ, permettant de calculer les résultats attendus aux essais de pénétration standard SPT et aux essais piezocône CPT après traitement pour le sol situé entre les colonnes de ballast. Le chiffrier Excel, appelé CaPoDyn (pour Capacité Portante Dynamique) développé dans cette thèse permet d’évaluer les capacités portantes des sols pour des conditions statiques ou dynamiques, dans le cas de sites traités par vibroremplacement ou non. Une validation à l’aide d’un logiciel de différences finies (FLAC) a été faite pour le cas statique. La méthode « MCIF-Priebe » proposée dans CaPoDyn est celle qui donne les résultats les plus proches des valeurs de capacité portante obtenues avec les modèles numériques. Deux études paramétriques ont été menées pour le cas statique et pseudo-dynamique. La première s’est concentrée sur l’évaluation de la capacité portante avec le chiffrier CaPoDyn pour des taux de remplacement et des accélérations variables. Pour un sol de bonne qualité (ϕ’>35°, N>26), la capacité portante n’augmente pas (ou peu), quel que soit le taux de remplacement choisi. La deuxième étude paramétrique, menée avec le logiciel de différences finies FLAC, s’est concentrée sur l’effet de la taille de la zone traitée pour deux scénarios: (i) « construction » où l’on traite le sol sous la semelle de fondation (ii) « réhabilitation » où l’on ne peut traiter que le sol au pourtour de la semelle. Il a été observé qu’au-delà d’une certaine largeur de traitement (4B en « construction » et 1,5B de part et d’autre en « réhabilitation ») la capacité portante n’augmente plus. D’autre part, il est plus avantageux de traiter en largeur qu’en profondeur lorsque l’on vise à augmenter la capacité portante. Enfin, la thèse présente une étude, réalisée avec FLAC, du comportement sismique d’une fondation superficielle, installée sur un sol traité par vibroremplacement et considérant l’Interaction Sol-Structure. Deux cas de figure ont été considérés : (i) nappe phréatique en profondeur et (ii) nappe phréatique en surface. Plus la zone traitée est grande et le taux de remplacement important, plus le tassement sera faible. Il y a cependant quelques exceptions car l’inclusion d’un élément de sol plus rigide peut mener à une amplification de l’onde sismique en surface. En conséquence une étude numérique est à conseiller pour optimiser la zone traitée. Par contre, quel que soit le taux de traitement et la taille de la zone traitée, il y a une nette amélioration du comportement de la fondation sous chargement sismique (tassement au centre environ divisé par 2 ou plus). Il apparait qu’un traitement de sol sur une très large zone et une grande profondeur peuvent être favorables pour certains accélérogrammes. Il faudra donc estimer au cas par cas si le surcoût entraîné par de telles proportions de traitement est justifié à la vue de l’amélioration de comportement attendue