Revue des mthodes dvaluation de la capacit portante ultime en conditions dynamiques

Bertrand Galy, ing. jr. M. Ing., tudiant au doctorat, Dpartement de gnie de la construction, cole de technologie suprieure

Marie-Jos Nollet, ing. Ph.D., Professeure,

Dpartement de gnie de la construction, cole de technologie suprieure

Denis LeBoeuf, ing. Ph.D., Professeur, Dpartement de Gnie Civil et de Gnie des eaux, Universit Laval

Denis Lessard , ing. M.Sc., Charg de projets

Direction des structures, Service de la conception, Ministre des Transports du Qubec

Rsum Afin de dterminer la surface utile dune fondation superficielle ltat limite ultime, les ingnieurs gotechniciens utilisent les quations des mthodes classiques fondes sur un calcul en plasticit. Dans le cas de lestimation de la capacit portante ultime pour une charge sismique, un chargement statique excentr et inclin est considr sur la fondation (AASHTO, 2010). Cette mthode pseudo statique ne prend cependant pas en compte les variations des paramtres gotechniques du sol pouvant tre engendres par la vibration. Si dans certains cas cette manire de faire est conservatrice, il est des situations o la dgradation de la rsistance du sol est importante et devrait tre prise en compte (AASHTO, 2010; Richards, Elms et Budhu, 1993). Par ailleurs les mthodes classiques destimation de la capacit portante ultime sont des modles thoriques qui ont t valids sur des modles exprimentaux (Bowles, 1996). Des modles exprimentaux plus reprsentatifs du comportement rel des fondations superficielles sous chargement combin plan ont t proposs rcemment par plusieurs chercheurs et sont actuellement employs par lindustrie offshore . Outre une brve revue de ltat de lart, la contribution prsente une comparaison de ces diffrentes mthodes dvaluation de la capacit portante sous chargement combin en considrant la dgradation des paramtres gotechniques en conditions dynamiques, ainsi que lapplication sur un exemple concret pour deux sols typiques du Qubec. Il apparat que les mthodes traditionnellement utilises pour dimensionner les semelles de fondations superficielles ne sont peut-tre pas assez conservatrices. Pour autant, lemploi de facteurs de scurit importants lors dun dimensionnement en conditions statiques permet de garantir la scurit des ouvrages, sans toutefois nous clairer sur la relle performance des systmes de fondation employs lors de sollicitations dynamiques.

1. Introduction Pour les rgions prsentant une activit sismique modre leve (comme le Qubec), la question de lvaluation de la capacit portante des systmes de fondations superficiels en conditions dynamiques se pose. En effet, bien quil soit reconnu que la capacit portante en conditions dynamiques puisse diffrer de celle en conditions statiques, il ny a actuellement aucune recommandation spcifique ce sujet dans les codes et normes en vigueur au Canada (CAN/CSA, 2006; NRC, 2005). LAASHTO (2010) recommande de prendre en compte la dgradation de rsistance gotechnique pour certains types de sol mais sans proposer de valeur pour cette dgradation. Le code international de construction (Day, 2006) recommande une

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augmentation de la capacit portante admissible de 33% pour les combinaisons de chargement avec tremblement de terre. Or, plusieurs chercheurs ont montr que la capacit portante ultime du sol tait rduite en cas de chargement dynamique (Chowdhury et Dasgupta, 2009; Richards, Elms et Budhu, 1993). Pour concevoir une fondation pour un chargement sismique, un chargement pseudo statique excentr et inclin est gnralement considr. Les limites dapplicabilit dune telle mthode sont par contre assez mal connues et cest pour cette raison que de nombreuses recherches ont rcemment t menes sur lestimation de la capacit portante sous charges combines (Byrne et Houlsby, 2001; Cassidy, Byrne et Houlsby, 2002; Cassidy, Martin et Houlsby, 2004; Chatzigogos, 2007; Gottardi et Butterfield, 1993; Gottardi, Houlsby et Butterfield, 1999; Houlsby et Martin, 1992; Houlsby et Puzrin, 1999; Martin et Houlsby, 2000). Ces recherches ont men lobtention de courbes enveloppes tridimensionnelles reprsentant la capacit portante des fondations superficielles dans lespace de chargement H (charge horizontale), M (moment) et V (charge verticale). Pour la plupart, ces courbes enveloppes sont exprimentales et reprsentent trs fidlement le comportement du sol tudi pour un chargement pseudo statique plan. Les courbes enveloppes proposes par Pecker, et actuellement intgres dans lEurocode 8 sous la forme dune annexe informative (CEN, 1998), ont t dveloppes thoriquement laide de la mthode cinmatique et reprsentent donc une borne suprieure de la rupture du sol. Le modle de Pecker prsente lavantage de prendre en compte les forces dinertie dans le sol, et donc de reprsenter un chargement dynamique pour les sols purement frottants ou purement cohrents mais a linconvnient de ntre que purement thorique. Outre labsence de directives claires et unanimes, la conception des fondations superficielles pour les charges sismiques est dautant plus complexe quil est ncessaire de traiter en dtail les alas sismiques tels que la liqufaction, les forces latrales sur les sols, les glissements de terrain, les tassements diffrentiels, les effets cycliques sur les sols et les mouvements de faille en surface (ASSTHO, 2010). Cet article se concentre sur les mthodes dvaluation de la capacit portante statique et dynamique sous chargement combin (H, M et V) reprsentatifs dune sollicitation sismique. Il a pour objectif de prsenter de nouvelles approches destimation de la capacit portante ainsi que leur applicabilit un exemple concret pour deux sols typiques du Qubec.

2. valuation de la rsistance gotechnique ltat Limite Ultime (ELUL) en conditions statiques

Les semelles de fondations superficielles doivent tre conues pour satisfaire les exigences des conditions dtats limites de service, ou utilisation, ainsi que les exigences des conditions dtats limites ultimes. La conception de semelles soumises des charges sismiques doit donc se faire aux tats limites ultimes (ELUL) (CAN/CSA, 2006; NRC, 2005). Aux ELU la rsistance gotechnique ultime, qult, est value par les mthodes de plasticit courantes comme celle prsente par le Canadian Foundation Engineering Manual (CFEM) (CGS, 2006). La rsistance pondre est ensuite dtermine en multipliant qult par un coefficient de tenue pour prendre en compte la variabilit de la rsistance du sol. La pression sous les semelles induite par la force applique sur la fondation et pondre selon la nature des charges, F, doit gnralement tre infrieure cette capacit ultime. Dans lensemble des mthodes, lvaluation de la rsistance gotechnique ultime, ou capacit portante ultime, se fait en conditions de chargement statiques. En gnral pour estimer la capacit

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portante pour un chargement sismique, un chargement combin pseudo-statique est appliqu sur la fondation (H, M, V) en utilisant les mmes mthodes dvaluation que pour les conditions statiques (AASHTO, 2010; Pecker, 1996). En conditions statiques, la conception de semelles de fondations superficielles consiste avant tout dterminer la rsistance gotechnique ultime. Deux grandes catgories de mthodes sont disponibles (Fraser Bransby, 2001) : (i) les mthodes classiques fondes sur un calcul en plasticit et, (ii) les courbes enveloppes. Ce sont les mthodes classiques (dcrites en dtail dans le CFEM 2006) fondes sur un calcul en plasticit et prsentes sous forme dquations avec facteurs de capacit portante (N, Nc, Nq) qui sont aujourdhui les plus utilises et ce pour plusieurs raisons : (i) ces mthodes sont connues depuis longtemps maintenant et ont prouv tre suffisamment efficaces par le pass et, (ii) ces mthodes sont celles prconises par la plupart des codes et normes de conception (CAN/CSA, 2006; CGS, 2006). Cependant, elles ne permettent que destimer, de faon approximative, la rsistance ou capacit portante ultime (Bowles, 1996). En effet, ces mthodes ont t dveloppes daprs les fondements thoriques et valides laide dessais sur des semelles de dimensions rduites (25x75 25x200mm). Les modles rduits, en particulier sur du sable, ne produisent pas des rsultats de test fiables, cause des facteurs dchelle. Deux tests grande chelle ont t faits pour des sols cohsifs et les mthodes de Meyerhof, Hansen, Vesic et Terzaghi donnent pour ces sols une approximation raisonnable (en gnral un peu infrieure) de la capacit portante ultime pour une charge verticale centre (Bowles, 1996). Si les auteurs des diffrentes mthodes proposent des Nc et Nq similaires (ou gaux) le facteur de capacit portante N est lui trs variable (38 < N < 192 pour =40) (Bowles, 1996; Fellenius, 2009). Cest cependant le terme qui influence le moins la capacit portante (Bowles, 1996). Les courbes enveloppes offrent une alternative aux mthodes classiques et seront dtailles en section 3.4.

3. valuation de la capacit portante en conditions dynamiques

3.1 Gnralits Actuellement il ny a pas de recommandations ou directives spcifiques pour dterminer la capacit portante en conditions dynamiques dans les codes et normes en vigueur au Canada (CAN/CSA, 2006; NRC, 2005). En gnral pour estimer la capacit portante pour un chargement sismique, un chargement combin pseudo statique est appliqu sur la fondation (H, M, V) en utilisant les mmes mthodes dvaluation prsentes plus haut pour les conditions statiques (AASHTO, 2010). Il faut cependant garder en tte quen conditions dynamiques la capacit portante peut tre infrieure (en particulier pour les sols saturs) ou suprieure (sols non saturs) la capacit portante en conditions statiques. Suivant le type de sol le dimensionnement se fera en considrant les contraintes totales et/ou effectives. En effet, lAASHTO fait les recommandations suivantes (AASHTO, 2010):

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