Géotechnique

Nature du sol

Si un bâtiment doit être construit en zone à risque sismique, le sol doit être sondé jusqu’à une profondeur importante. Certains sols comme les alluvions ou les argiles peuvent se liquéfier lorsqu’ils sont soumis aux ondes de choc d’un tremblement de terre. Il faut alors éviter de construire à cet endroit ou, à défaut, établir des fondations profondes qui s’ancrent dans la roche sous-jacente. Les sols argileux peuvent gonfler ou se tasser selon qu’ils sont en phase humide ou en phase sèche. L’amplitude du mouvement vertical de ces sols peut atteindre quelques décimètres et la pression exercée sur les fondations peut provoquer des fissures, voire des ruptures. Les sols à forte teneur organique, comme les tourbes, peuvent, au cours du temps, se tasser sous la charge d’un bâtiment pour ne plus représenter qu’une fraction de leur volume initial, provoquant de fait l’affaissement de la structure. D’autres sols, de faible cohésion, ont tendance à se dérober sous la charge.

Qu’ils aient été remblayés, recomposés, asséchés ou arrosés, bref perturbés de quelque manière que ce soit, les sols peuvent se comporter différemment une fois la construction achevée. Parfois, le sol situé sous un projet de construction varie tellement d’un endroit à l’autre qu’il risque de se tasser différemment, si bien que le bâtiment subira les conséquences. Il est donc nécessaire d’analyser le sol et le sous-sol afin de déterminer la faisabilité de la construction d’un point de vue technique et économique en faisant appel aux géotechniciens.

Ainsi, dans le cas d’un substrat solide à faible profondeur, les fondations pourront être plus concentrées. En revanche, lorsque des roches ou des sols deviennent de moins en moins résistants au fur et à mesure qu’on s’éloigne de la surface, les fondations devront être plus étendues, de manière à répartir plus uniformément la pression due au poids de la construction.

Niveau de la nappe phréatique

La pose des fondations se complique lorsqu’elle doit s’asseoir dans la nappe phréatique, car les parois de l’excavation peuvent être minées par l’eau et s’effondrer. Afin de réduire ce risque, on peut édifier un rideau de palplanches, enfoncées jusqu’au refus, correspondant au périmètre de l’excavation. On peut également installer un cuvelage, puis pomper l’eau de manière à faire baisser le niveau de la nappe afin de consolider ou de retenir les parois de l’excavation et éviter ainsi tout effondrement.

Éléments d’une construction

Les principaux éléments d’une construction comprennent :

  • Les fondations, qui permettent à la construction de reposer sur le sol tout en la supportant et en assurant sa stabilité;

  • La structure ou ossature, qui assure la stabilité aérienne de l’ouvrage, supporte toutes les charges appliquées et transmet aux fondations les sollicitations dues au poids de l’édifice, aux charges d’occupation et aux contraintes exercées par le vent, la neige, les secousses sismiques, etc.;

  • Les murs porteurs qui peuvent être intégrés à la structure, ainsi que les poteaux, les poutres et les planchers qui définissent l’ossature;

  • Les cloisons intérieures ou murs de refend, qui peuvent être parfois intégrés à la structure;

  • Les systèmes de contrôle d’ambiance : le chauffage, la ventilation, le conditionnement d’air, l’éclairage et l’isolation acoustique;

  • Les systèmes de circulation verticale : ascenseurs, escaliers mécaniques, escaliers et cages;

  • Les dessertes, qui peuvent comporter des sous-systèmes tels que les communications internes, la sonorisation, la télévision en circuit fermé ou encore les réseaux de câblage téléphonique;

  • Les réseaux d’alimentation en énergie et en eau, ainsi que l’évacuation des déchets;

  • L’enveloppe, constituée de la façade, des pignons et de la toiture, qui sépare l’intérieur de l’extérieur de la construction et qui la protège des sollicitations diverses : pluie, vent, chaleur, froid, bruit, lumière solaire, etc. Elle joue un rôle fondamental dans les économies d’énergie.

Les charges appliquées à un bâtiment

Elles sont classées en charges «statiques» et «dynamiques». Les charges statiques comprennent le poids du bâtiment lui-même, ainsi que tous les éléments principaux de l’immeuble. Les charges statiques agissent en permanence vers le bas et s’additionnent en partant du haut du bâtiment vers le bas. Les charges dynamiques peuvent être la pression du vent ou le poids de la neige, les forces sismiques, les vibrations provoquées par les machines, les meubles, les marchandises ou l’équipement stockés, les occupants et les forces engendrées par les variations thermiques. Les charges dynamiques sont temporaires et peuvent produire des contraintes locales, vibratoires ou de chocs. En général, le plan d’un bâtiment doit tenir compte de l’ensemble des charges statiques et dynamiques afin d’éviter le tassement ou l’effondrement de la construction, ainsi que pour pallier toute déformation permanente, tout mouvement excessif, toute gêne pour les occupants ou toute rupture en un point quelconque.

Fondations

Le plan de la structure d’un bâtiment dépend étroitement des caractéristiques géologiques du sol sur lequel il repose. Il est également lié aux éventuelles modifications d’un de ces facteurs par l’homme.

Types de fondations

Les types les plus courants de fondations sont classés suivant leur degré de profondeur. Les fondations superficielles descendent au plus à trois mètres sous le socle de la construction, tels que les radiers et les treillis, alors que les fondations profondes s’étendent à plus de trois mètres de profondeur sous le bâtiment, comme les pieux et les caissons. La fondation choisie dépend de la résistance de la roche ou du sol, du poids de la structure et du niveau de la nappe phréatique.

La fondation la plus économique et la plus ancienne est la fondation distributrice en béton armé, qui est utilisée dans des zones où les conditions géologiques ne présentent aucune difficulté particulière. Elle est constituée de plates-formes placées sous chaque poteau de la structure ou bien d’une dalle continue placée sous les murs porteurs.

Les fondations en radier sont employées lorsque les charges du bâtiment sont si importantes et la résistance du sol si faible que des plates-formes individuelles couvriraient plus de la moitié de la surface de construction. Un radier est une dalle en béton, armée fortement avec de l’acier, qui supporte les charges unitaires des poteaux et des murs. Ainsi la charge transmise par unité de surface au sol sous-jacent reste faible et se répartit sur toute la surface. Dans le cas de grands radiers supportant de lourdes structures, les charges sont distribuées de manière encore plus uniforme, grâce à des fondations supplémentaires et des murs de refend, qui renforcent le radier.

Les pieux sont principalement utilisés dans les zones où l’état du sol proche de la surface est peu résistant. Ils sont faits de bois, de béton ou d’acier et sont placés par groupes. Les pieux sont enfoncés jusqu’à une certaine profondeur, jusqu’à ce que la résistance du sol soit insuffisante (cette profondeur est déterminée grâce à la géotechnique). Chaque groupe de pieux est alors recouvert d’une chape de béton armé. Un pieu peut transmettre la charge soit par le poinçonnement de son extrémité inférieure, soit par son frottement le long de la paroi latérale. Le nombre de pieux est déterminé par la charge de la structure, ainsi que par la capacité moyenne que peut prendre en charge chaque pieu du groupe. Le pieu en bois, un simple tronc d’arbre équarri, était employé autrefois pour de grandes constructions telles que les ponts ou les églises (cathédrale de Strasbourg). On lui a substitué au XIXe siècle le pieu en béton, plus long, mécaniquement et chimiquement plus résistant. Dans le cas de bâtiments particulièrement lourds ou hauts, on emploie des pieux en acier, appelés pieux H en raison de leur forme. Ils sont enfoncés jusqu’à la roche, souvent à des profondeurs pouvant atteindre 30 m. Bien qu’ils soient plus chers, leur coût est généralement justifié compte tenu de l’investissement financier important.

On emploie les fondations sur puits foncés lorsque le sol d’assise se trouve sous des couches de faible résistance tels que le remblai ou la tourbe. Le puits foncé est une colonne en béton, coulée dans des fûts cylindriques placés à l’emplacement des poteaux de la structure.

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