Calcul des déplacements et sécurité dans le dimensionnement des fondations mixtes et inclusions rigides

Serviceability and safety in the design of rigid inclusions and combined pile-raft foundations

• Auteur / Autrice : Cécilia Bohn
• Direction : Roger Frank
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géotechnique
• Date : Soutenance le 30/09/2015
• Etablissement(s) : Paris Est en cotutelle avec Technische Universität (Darmstadt, Allemagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est) - Laboratoire Navier / NAVIER
• Jury : Président / Présidente : Matthias Becker
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Roger Frank, Rolf Katzenbach, Eduardus Koenders, Stefan Schäfer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hussein Mroueh, Norbert Vogt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géologie appliquée

Transfert de charge

Construction mixte

Inclusions

Mots clés libres

Fondation

Inclusion

Fondation mixte

Déplacements

Sécurité

Méthode de transfert de charge

Foundation

Inclusion

Combined pile-Raft foundation

Serviceability

Safety

Load transfer method

Résumé

Les inclusions rigides sont un concept récent développé dans le prolongement des fondations mixtes, avec un matelas de transfert de charges entre les colonnes et la structure. Des méthodes de calculs et des concepts de sécurité existent pour ces systèmes combinés, notamment en France où le module pressiométrique mesuré et les recommandations ASIRI (IREX 2012) pour les inclusions rigides sont utilisés. Le dimensionnement classique des pieux basé sur une simple vérification de la portance des colonnes isolées ne peut pas être appliqué à ces systèmes combinés. Les tassements peuvent être plus importants du fait de la part significative de charge reprise par le sol. Le présent travail est une contribution au développement des méthodes de calcul et de dimensionnement en déplacement (préconisé par l'Eurocode 7, EN 1997-1 2004) pour les systèmes combinés sous charge verticale, en particulier au niveau international où des mesures in situ de module de sol ne sont généralement pas disponibles. Les éventuelles particularités de ces systèmes, notamment la sensibilité de colonnes non renforcées de petit diamètre, devaient également être examinées. La méthode de transfert de charge (“load transfer method”, LTM) est identifiée comme un outil d'ingénieur particulièrement adapté au calcul des systèmes combinés présentant une géométrie relativement simple. L'interaction sol-colonne en frottement et en pointe est définie par des courbes de transfert de charge (ou courbes “t-z” et “q-z”). Les méthodes en milieu continu comme la méthode des éléments finis sont à réserver en général aux cas complexes. Le comportement non-linéaire des semelles est examiné sur la base de mesures obtenues dans la littérature. Cette étude aboutit à la proposition d'une courbe charge-tassement hyperbolique pour les semelles. Cette courbe de mobilisation est définie de sorte qu'il y ait concordance avec la méthode linéaire habituelle pour un tiers de la charge ultime de la semelle. Le comportement de pieux isolés est étudié avec de nombreux essais de chargement instrumentés et non-instrumentés pour différents types de pieux et de sol. Une alternative aux courbes de transfert de charge selon Frank et Zhao (1982), basées sur le module pressiométrique, est recherchée. Des courbes de transfert de charge de type racine cubique et hyperbolique sont proposées pour tous types de pieux et de sol. La raideur des courbes proposées dépend d'une bonne estimation des valeurs ultimes de frottement et de résistance de pointe. Au contraire, la raideur initiale des courbes de Frank et Zhao est entièrement définie par le module pressiométrique, ce qui permet d'éviter des erreurs en termes de raideur. Les courbes de mobilisation proposées pour les fondations superficielles et pour les pieux sont combinées et étendues au cas des systèmes combinés. Cette méthode est implémentée comme option LTM dans le programme KID (Keller company 2015). Les prévisions avec le modèle proposé sont en très bonne adéquation avec les mesures effectuées sur 3 sites documentés dans la littérature. Une étude paramétrique montre une transition continue entre la fondation mixte et les inclusions rigides et une possibilité d'optimisation avec une diminution significative des efforts dans les colonnes et dans la fondation superficielle si un matelas est utilisé. En complément, une comparaison avec des calculs en éléments finis en 3D dans un cas théorique de semelle sur colonnes confirme que la méthode de transfert de charge développée est très performante pour des géométries simples. Une analyse de sensibilité est effectuée avec des modèles éléments finis axisymmétriques et 3D avec Plaxis (2013, 2014). Les imperfections géométriques ont principalement une incidence sur l'intégrité structurelle des colonnes non-armées de faible diamètre. Cependant, ces effets sont atténués dans les systèmes combinés en comparaison avec la colonne isolée du fait des possibilités de redistribution des charges dans le système

Rigid inclusions represent a further development of combined pile-raft foundations, comprising a load transfer platform between the columns and the structure. Calculation methods and design concepts are available for such combined systems in particular in France, based on measured pressuremeter modulus values and on the French recommendations ASIRI for rigid inclusions (IREX 2012). The conventional pile design consisting only of a bearing capacity check for the individual column cannot be applied to such combined systems. The expected settlements may be larger due to a significant load proportion supported by the soil. The present work contributes to the development of displacement-based calculation methods (advocated by the Eurocode 7, EN 1997-1 2004) and design methods for combined systems under vertical loads, in particular on an international level where in general no in situ soil modulus values are measured. Possible particularities of such systems, like the sensitivity of unreinforced small-diameter columns, also had to be investigated. The load transfer method (LTM) is identified as a straightforward engineering tool for the calculation of combined systems with relatively simple geometries. The soil-column interaction in terms of skin friction and tip resistance is described by deformation-dependent load transfer curves (or “t-z” and “q-z” curves). Continuum methods like the finite element method should be preferred only for complex cases in general. The non-linear load-settlement behaviour of single footings up to failure is analysed based on measurements given in the literature. This yields the proposal of a hyperbolic load-settlement curve for footings. This mobilization curve is defined in a way to match the linear usual method for one third of the footing ultimate load. The behaviour of single piles is investigated based on numerous available instrumented and non-instrumented pile load tests with different pile and soil types. A reliable alternative to the load transfer curves after Frank and Zhao (1982), which are based on the pressuremeter modulus, is sought. Cubic root and hyperbolic axial load transfer curves are proposed for all pile and ground types. The stiffness accuracy of the proposed curves depends on an accurate estimation of the ultimate skin friction and tip resistance values. On the contrary, the initial stiffness of the Frank and Zhao curves is fully described by the pressuremeter modulus, avoiding thus errors in the stiffness. The proposed mobilization curves for the shallow and pile foundation behaviours are combined and extended for all combined systems. The proposed method is implemented as the LTM option into the software KID (Keller company 2015). The prediction with the developed model matches very well the measurements made for 3 different cases from the literature. A parametric study shows a smooth transition between the combined pile-raft foundation case and the rigid inclusion case and a potential for optimisation with a significant reduction of the internal forces in the columns and in the rigid slab when a load transfer platform is used. In addition, a comparison with 3D finite element calculations for a theoretical footing case with columns confirms that the developed load transfer method is very reliable for simple geometries. Sensitivity investigations using the axisymmetric and 3D finite element method with Plaxis (2013, 2014) are performed. Geometrical imperfections impact mainly the structural integrity of small-diameter unreinforced columns. However, these effects are reduced in combined systems compared to the single column case due to the possibility of redistribution of the loads within the system