- Les ponts doivent laisser un espace libre en dessous pour le passage des rivières, des voies ferrées ou des routes, si bien que les charges supérieures se concentrent sur les piles et les culées, avec la nécessité de fondations profondes capables de tenir même dans des sols fluviaux ou marins meubles
- Les fondations sur pieux consistent à enfoncer ou forer de longs éléments dans le sol, afin de reprendre les charges verticales grâce à l’appui en pointe sur une couche solide et au frottement latéral avec le sol environnant
- Les pieux battus ont l’avantage que leur pose sert en quelque sorte de vérification de charge, mais ils présentent aussi des limites comme le bruit et les vibrations, le soulèvement du sol, les écarts de trajectoire ou la difficulté à traverser des couches très dures
- Le drilled shaft, un pieu foré et coulé en place, consiste à excaver puis à mettre en place les armatures et le béton ; sous l’eau, on utilise un tubage et un tube plongeur pour éviter l’effondrement du forage et la dilution du béton
- Les cas de la Millennium Tower et de l’affaissement d’une pile du Lee Roy Selmon Expressway de Tampa en 2004 montrent que même les fondations profondes peuvent échouer et que la complexité géotechnique peut entraîner des problèmes de coût et de calendrier
Pourquoi les charges d’un pont se concentrent dans le sol
- L’essentiel d’un pont n’est pas seulement de « franchir » quelque chose, mais de garantir un espace vide en dessous pour laisser passer une rivière, une voie ferrée ou une route
- Sur une route classique, les forces sont transmises directement au sol, tandis que sur un pont, les efforts appliqués à la travée se concentrent sur les piles ou les culées à ses extrémités
- L’infrastructure est conçue pour être très résistante, mais son emplacement réel est souvent peu favorable à la reprise des charges
- Les rivières et la mer comportent souvent des sols mous et vaseux qui supportent mal de fortes charges
- Beaucoup de fondations de ponts sont installées sous l’eau
- Quand le sol reçoit une charge qu’il ne peut pas supporter, il se produit une rupture de portance, et la fondation s’enfonce dans le terrain
- C’est ce principe consistant à appliquer la charge pour aller chercher plus profond qui conduit à l’usage très répandu des pieux de fondation
Matériaux des pieux battus et principe de mise en place
- Un pieu est un élément structurel long, de forme poteau, qu’on enfonce ou fore dans le sol
- Le volume 1 du document de la Federal Highway Administration,
Design and Construction of Driven Pile Foundations, dépasse 500 pages ; il faut attendre après 11 pages de symboles et 2 pages d’abréviations pour arriver à l’introduction, ce qui montre la complexité du sujet - L’histoire des pieux battus remonte à avant les archives écrites, et le concept de base consiste à enfoncer une barre dans le sol à coups répétés
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Caractéristiques selon les matériaux
- Pieux en bois
- Peu coûteux, résistants aux efforts de battage et faciles à poser
- Ils peuvent pourrir, leur longueur est limitée par la taille des arbres, et leur résistance est inférieure à celle des matériaux alternatifs
- Pieux en béton
- Réalisés dans des tailles et formes variées, ils sont largement utilisés pour les fondations profondes
- Ils doivent être suffisamment massifs pour supporter les efforts nécessaires à leur enfoncement ; certains pieux en béton ont une largeur de 30 pouces, soit plus de 75 cm
- Pieux en acier
- Ils peuvent être plus fins que ceux en béton
- Les principales formes sont les pipe pile et les H-pile
- Pieux en bois
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Pourquoi on les enfonce au marteau
- Pour pousser un pieu profondément, il faut une force de réaction de même intensité
- Plutôt que d’utiliser une masse énorme ou une structure très rigide ancrée au sol, on emploie généralement un marteau
- L’énergie potentielle d’une masse relativement modeste lâchée depuis une certaine hauteur se transforme en énergie cinétique, et la force qui arrête sa chute est transmise au pieu
- Beaucoup de pile drivers produisent l’effort nécessaire grâce à un gros marteau ou à une tête vibrante
Comment les pieux supportent la charge
- L’objectif principal d’une fondation est de reprendre la charge sans se déplacer
- Face aux charges verticales, les pieux résistent essentiellement de deux manières
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Appui en pointe et frottement latéral
- L’appui en pointe correspond au cas où l’extrémité du pieu, le toe, atteint une couche de sol dure ou le rocher et peut ainsi reprendre une charge plus importante
- La géologie réelle est plus complexe que l’idée simplifiée de « bedrock », et il n’existe pas toujours de couche très résistante à une profondeur raisonnable
- Le frottement latéral, ou shaft resistance, provient du compactage et de la densification du sol autour du pieu lors de sa mise en place, ce qui crée de la friction contre sa paroi
- Plus le pieu s’enfonce, plus cette résistance par frottement augmente
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Quand la pose elle-même sert de validation
- Lorsqu’un pieu est frappé de manière répétée par un marteau lâché depuis la même hauteur, il s’enfonce d’abord d’une certaine valeur à chaque coup, puis le déplacement par impact diminue progressivement
- Le point où le pieu ne bouge presque plus correspond techniquement à l’état de refusal
- Si l’on trace le nombre de coups en fonction de la profondeur, on observe que la résistance aux charges verticales augmente à mesure que le pieu s’enfonce
- La formule du Pile Driving Contractors Association, « A Driven Pile is a Tested Pile », souligne que le pieu battu présente l’avantage de vérifier pendant sa pose qu’il peut supporter un certain effort
- Si la résistance observée est insuffisante, on peut souvent l’enfoncer davantage pour atteindre la capacité recherchée
Charges horizontales et limites des pieux battus
- Les structures ne subissent pas seulement des efforts verticaux vers le bas
- Les bâtiments reçoivent des charges horizontales dues au vent, et les ponts peuvent aussi en subir à cause de l’eau en mouvement, de la glace ou du contact avec des navires
- La poussée d’Archimède en période de crue ou les vents violents peuvent générer des efforts d’arrachement opposés à la gravité
- L’état du sol autour d’un pont peut être différent juste après les travaux et après plusieurs crues
- Les ingénieurs doivent prévoir le scour en tenant compte à la fois de l’évolution naturelle du lit et des modifications provoquées par le pont lui-même
- Les fondations doivent être conçues pour conserver leur résistance malgré l’évolution des conditions de terrain à long terme
- Les charges des piles de pont sont transmises et réparties vers les pieux par l’intermédiaire d’un pile cap
- Quand de fortes charges horizontales sont attendues, on utilise des battered pile, c’est-à-dire des pieux installés en inclinaison
- Les pieux inclinés exploitent mieux le frottement latéral et augmentent la résistance des fondations face aux charges horizontales
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Contraintes des pieux battus
- La pose de pieux battus génère beaucoup de bruit et de vibrations, ce qui est difficilement acceptable dans les zones urbaines denses
- Les vibrations de mise en place peuvent affecter les infrastructures voisines
- Dans de nombreux cas, les pieux doivent être conçus pour résister pendant l’installation à des efforts bien supérieurs à ceux qu’ils subiront une fois l’ouvrage terminé
- Ils traversent difficilement les couches géologiques dures, les graviers et les gros blocs
- Comme on ne peut pas voir directement leur progression en sous-sol, ils peuvent dévier de leur trajectoire
- Comme on les pousse sans retirer le sol, cela peut provoquer un soulèvement du terrain
Drilled shaft et bétonnage sous l’eau
- Le drilled shaft consiste à forer profondément, placer les armatures, puis remplir de béton
- Le manuel de la FHWA
Drilled Shafts: Construction Procedures and Design Methodscompte 747 pages - Dans les sols meubles ou les conditions humides, on utilise un tubage pour empêcher l’effondrement des parois du forage
- Le tubage est généralement mis en place au fur et à mesure de l’avancement de l’auger
- Même si le tubage dépasse au-dessus de la surface de l’eau, de l’eau peut encore s’infiltrer par le fond
- Le rapport eau-ciment est essentiel pour la résistance et les performances du béton ; si on le verse simplement sous l’eau, il se mélange à l’eau et se dilue
- Un tube plongeur est un conduit qui descend jusqu’au fond du forage ; tant que son extrémité reste sous la surface du béton, le béton ne se mélange pas à l’eau
- Le béton est plus dense que l’eau ; il remonte donc depuis le bas du forage et repousse l’eau vers le haut
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Tubage et pile cap
- En installation sous l’eau, il est fréquent de laisser le tubage en place
- Son utilisation permet, au lieu de construire un grand cofferdam et d’assécher toute la zone de travail, de réaliser un pile cap au niveau de l’eau ou au-dessus, ce qui réduit la complexité du chantier
- Ce type de high rise pile cap est très utilisé pour les éoliennes en mer
- Selon les cas, on peut retirer le tubage après bétonnage pour éviter le coût de gigantesques tubes d’acier
- La pression du béton sur les parois du forage peut empêcher l’effondrement du terrain
- Les drilled shaft peuvent être réalisés à des dimensions bien plus grandes que les pieux battus, au point qu’ils évitent parfois d’avoir besoin de plusieurs pieux et d’un pile cap
- Des éoliennes, des panneaux de signalisation autoroutière et d’autres ouvrages peuvent être construits sur une mono-pile foundation constituée d’un seul drilled shaft
- L’reaming, qui consiste à élargir le fond d’un drilled shaft, augmente la surface d’appui au toe, réduit la tendance au tassement et peut aussi améliorer la résistance à l’arrachement
Divers types de fondations profondes et cas de défaillance
- Les systèmes de fondations profondes ne se limitent pas aux pieux battus et aux drilled shaft
- Le Continuous flight auger pile utilise un hollow-stem auger pour enchaîner pratiquement en une seule étape l’excavation et le bétonnage, puis les armatures sont mises en place dans le béton encore frais
- La stone column, ou marque Geopier, consiste à remplir le forage avec des granulats compactés au lieu de béton lorsqu’on ne considère que les charges de compression
- Le helical pile, ou screw pile, est vissé dans le sol au lieu d’être battu, afin de réduire les vibrations et les perturbations
- Le micropile s’apparente à un petit drilled shaft utilisé lorsque l’accès est limité ou que les contraintes géologiques sont fortes
- Le sheet pile est un pieu utilisé davantage pour former des parois ou des barrières que pour servir de fondation
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Même les fondations profondes peuvent échouer
- Les pieux sont généralement bien plus résistants que les fondations superficielles, mais ils peuvent malgré tout échouer
- La Millennium Tower de San Francisco est un cas où un immeuble de grande hauteur fondé sur pieux s’est enfoncé dans le sol en se mettant à pencher
- Le problème semble en grande partie corrigé, mais il revient encore de temps en temps dans l’actualité
- En 2004, une pile du Lee Roy Selmon Expressway à Tampa, en Floride, s’est affaissée de 11 pieds, soit plus de 3 m, pendant les travaux en raison d’une géologie complexe
- Le coût de la réparation a atteint 90 millions de dollars, et l’achèvement du projet a été retardé d’un an
- Dans les conceptions qui confient de lourdes charges au terrain, la science et la technique géotechniques occupent une place majeure
1 commentaires
Avis de Hacker News
J’ai particulièrement aimé la devise de la Pile Driving Contractors Association : « A Driven Pile is a Tested Pile »
L’idée est qu’au moment où un pieu est enfoncé, on a déjà vérifié qu’il peut supporter une certaine force ; et si la résistance est insuffisante, il suffit en général de l’enfoncer plus profondément jusqu’à obtenir une résistance suffisante.
La liquéfaction des sols est un phénomène étrange, qui rappelle le Silly Putty : mou quand on le manipule lentement, mais dur quand on le frappe rapidement.
Je me demande s’il faut simplement continuer très longtemps, et combien de temps cela peut durer.
Si une même forme en acier est appelée à la fois I-beam et H-pile, c’est parce que les formes réelles diffèrent.
Une poutre en I vise à concentrer la masse dans les semelles pour résister à la flexion, avec une âme plus fine ; un pieu en H a plutôt une âme d’une épaisseur proche de celle des semelles, pour supporter les charges axiales et faciliter la mise en œuvre.
Dans les profils standard, les poutres en I se divisent en sections W (wide flange) et S, tandis que les poutres en H sont appelées sections HP.
Dans les travaux de fondation, elles peuvent parfois être spécifiées comme interchangeables, mais pour les structures hors sol, on choisit généralement des sections plus efficaces comme W ou S plutôt que HP.
Je n’ai pas vraiment demandé ni essayé de les corriger ; si je l’avais fait, je serais probablement passé pour quelqu’un d’assez pénible.
Schéma de référence : [https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg](https://en.wikipedia.org/wiki/File:I-BeamCrossSection.svg)
L’idée de « continuer à ajouter de la charge pour que ça s’enfonce plus profondément » ressemble à la méthode d’ingénierie de base utilisée par le père de Herbert dans Monty Python and the Holy Grail pour construire dans un marais.
https://m.youtube.com/watch?v=w82CqjaDKmA
Tout le monde disait que c’était de la folie de construire un château sur un marais, mais je l’ai construit pour leur prouver le contraire, et il a sombré dans le marais.
Le deuxième a sombré aussi ; le troisième a brûlé, s’est effondré, puis a sombré dans le marais ; mais le quatrième a tenu.
Et c’est pourquoi ce dont tu hériteras sera le château le plus solide de toutes ces îles.
« Quoi, les rideaux ? »
Le socle rocheux entre guillemets est un concept simple, mais la géologie réelle est bien plus complexe.
Le socle rocheux existe toujours, mais à certains endroits, il faut des pieux vraiment longs pour l’atteindre.
Par exemple, on dit que les dépôts de gravier au sud de Munich atteignent 100 m (330 ft) de profondeur et deviennent moins profonds vers le nord.
https://en.wikipedia.org/wiki/Munich_gravel_plain
C’est à cause de ce mouvement de roches qu’un viaduc a été construit pour remplacer l’ancienne route ; l’érosion du versant obligeait à déplacer la route toujours plus haut, en ajoutant davantage d’épingles au tristement célèbre Zig Zag.
Les chutes de pierres rendaient aussi la route dangereuse, et on a tenté d’atteindre le socle rocheux, mais il était enfoui trop profondément.
https://teara.govt.nz/files/p-8788-gns.jpg
https://www.stuff.co.nz/national/117150792/awardwinning-otir...
Certains ponts ne coulent pas. Parce qu’ils flottent.
https://en.wikipedia.org/wiki/Nordhordland_Bridge
Le Lacey V. Murrow Memorial Bridge, le Homer M. Hadley Memorial Bridge, et l’Evergreen Point Floating Bridge, le plus long pont flottant du monde
https://en.wikipedia.org/wiki/Lacey_V._Murrow_Memorial_Bridg...
https://en.wikipedia.org/wiki/Homer_M._Hadley_Memorial_Bridg...
https://en.wikipedia.org/wiki/Evergreen_Point_Floating_Bridg...
Une fois les coûts du projet remboursés, ils ont cessé de faire payer tout le monde
À Chicago aussi, c’était le plan initial
Pour une idée innovante, l’exécution a été plutôt rapide
Référence : https://www.youtube.com/watch?v=gm0YQ3vuyyY
Le documentaire Brooklyn Bridge de Ken Burns sur la construction du pont est vraiment intéressant, car il traite des techniques d’ingénierie et des défis qui étaient innovants à la fin du XIXe siècle
Il est aussi court, environ une heure, donc je le recommande vivement
https://kenburns.com/films/brooklyn-bridge/
https://www.amazon.com/Great-Bridge-Story-Building-Brooklyn/...
L’entreprise japonaise de battage de pieux Giken propose d’excellentes vidéos d’ingénierie montrant sa technologie de pose de pieux silencieuse et des cas d’usage originaux
Il y a notamment des exemples pour arrêter des coulées de lave ou créer des parkings à vélos souterrains en centre-ville
https://www.youtube.com/@GikenGroup/videos
J’ai appris aujourd’hui que le “Piledriver” n’avait pas été inventé par la WWE
Certains ponts coulent intentionnellement, et d’autres coulent à cause d’erreurs de conception
https://en.wikipedia.org/wiki/Submersible_bridge, https://en.wikipedia.org/wiki/Lacey_V._Murrow_Memorial_Bridg...
L’auteur est Grady Hillhouse
Vidéo : https://www.youtube.com/channel/UCMOqf8ab-42UUQIdVoKwjlQ
Blog : https://practical.engineering/blog/
Flux : https://practical.engineering/blog?format=rss