I.3 Comportement des pieux sous chargement axial cyclique
I.3.4 Effets du chargement cyclique axial sur la réponse du pieu
I.3.4.2 Dégradation cyclique du frottement axial limite et de la résistance en pointe limite 74
Plusieurs essais de laboratoire et essais in-situ montrent que le frottement axial limite subit une dégradation au cours d’un chargement cyclique dans l’argile et dans le sable. Cette dégradation du frottement axial limite provoque une dégradation de la capacité portante du pieu et une diminution de la rigidité globale du sol autour du pieu. Bea et al. (1980) ont réalisé une étude basée sur les résultats
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de 300 essais in-situ sur des pieux installés dans l’argile. Ils ont constaté une dégradation de la capacité portante du pieu croissante avec le nombre de cycles. La dégradation dans les cas présentés ne dépassait pas 10 à 20% de la résistance de frottement initiale. Steenfelt et al. (1981) ont réalisé des essais en laboratoires sur des pieux modèles mis en place dans l’argile. Les résultats de ces essais montrent que pour des essais alternés, la dégradation de la capacité portante du pieu est accompagnée d’une augmentation de la pression interstitielle, et que lorsque la pression interstitielle n’augmente pas significativement, aucune réduction de la capacité portante du pieu n’est observée. Poulos (1981) a réalisé des essais sur des pieux modèles de 20 mm de diamètre et de 250 mm de longueur, installés dans une argile remaniée. Afin d’évaluer le degré de dégradation du frottement axial limite, Poulos (1981) définit un facteur de dégradation du frottement axial limite Dτ qui est le rapport entre le frottement axial limite après le chargement cyclique et le frottement axial limite avant le chargement cyclique. La Figure I.40 illustre les résultats de ces essais et donne l’évolution du facteur de dégradation Dτ en fonction de l’amplitude de déplacement cyclique Δw. La Figure I.40 montre qu’au fur et à mesure que le nombre de cycles augmente, le facteur de dégradation augmente aussi. Poulos (1982) explique que les deux principaux mécanismes permettant d’expliquer la dégradation du frottement axial limite le long du fût du pieu sont :
1. La variation de la pression interstitielle dans la zone située à l’interface sol-pieu 2. Le réarrangement des grains et leur détérioration au fur et à mesure des cycles.
Figure I.40 : Dégradation du frottement axial limite pour des pieux modèles installés dans l'argile de Hurstville (Poulos, 1981)
En ce qui concerne les pieux installés dans le sable, Chan et Hanna (1980) ont réalisé des essais en laboratoire sur des pieux modèles. Ces essais ont montré que la rupture du pieu peut se produire pour des charges maximales équivalentes à 30% de Rs pour des essais non-alternés, et pour des essais alternés, la rupture peut se produire pour des charges maximales inférieures à 30% de Rs. Cela est expliqué par une dégradation de la capacité portante au fur et à mesure des cycles.
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Puech (1982) a rapporté les résultats sur des pieux instrumentés installés dans du sable lâche. Ces essais in-situ ont été réalisés avec des pieux de 13 m de long et un diamètre équivalent à 273 mm. Les pieux ont été instrumentés afin de récupérer les pressions radiales et la pression interstitielle tout au long du fût du pieu. Une réduction des contraintes radiales au fur et à mesure des cycles a été observée. Puech (1982) relie cette réduction à une potentielle compaction du sol autour du pieu. La chute de contraintes radiales conduit à une dégradation du frottement axial limite, provoquant finalement la rupture du pieu.
Poulos (1984) a réalisé plusieurs essais sur des pieux modèles installés dans du sable afin de quantifier la dégradation du frottement axial limite due au chargement cyclique. Les résultats de ces essais sont illustrés sur les Figures I.41 et I.42. Ces deux figures donnent l’évolution du facteur de dégradation en fonction de l’amplitude de déplacement cyclique pour des pieux battus et forés respectivement. Les figures montrent que le facteur de dégradation diminue lorsque l’amplitude de déplacement cyclique augmente. L’amplitude de déplacement cyclique nécessaire pour imposer une large dégradation du frottement axial limite est faible et de l’ordre de ±0.5 mm. La figure permet également de conclure que la dégradation commence à être significative lorsque l’amplitude de déplacement cyclique dépasse la valeur de déplacement nécessaire pour mobiliser le frottement axial limite lors d’un chargement statique au cours des essais, Poulos (1984) a constaté également que la plus grande partie de dégradation du frottement axial limite après 100 cycles est due aux 10 premiers cycles.
Figure I.41 : Evolution du facteur de dégradation du frottement axial limite pour des pieux battus installés dans du sable (Poulos, 1984)
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Figure I.42 : Evolution du facteur de dégradation du frottement axial limite pour des pieux forés installés dans du sable (Poulos, 1984)
Poulos (1984) relie la dégradation du frottement axial limite dans le sable à une réduction du volume à l’interface sol-pieu à cause des cycles de chargement. Cette réduction de volume conduit à une diminution des contraintes radiales et donc à une dégradation du frottement axial limite.
Tsuha et al. (2012) ont étudié le comportement des pieux battus dans le sable soumis à des sollicitations axiales cycliques à partir des résultats de pieux installés dans une chambre d’étalonnage. Les auteurs expliquent le mécanisme provoquant la dégradation du frottement axial limite au cours d’une sollicitation cyclique. Pour cela, trois catégories d’essais sont distinguées :
- essais stables : Ce type d’essai provoque une très faible accumulation des déplacements en tête de pieu. Tsuha et al. (2012) mentionnent qu’aucun glissement n’est observé à l’interface. Les contraintes radiales restent généralement constantes (Figure I.43). Le comportement à l’interface peut ne pas être élastique localement, mais sans que le phénomène de contractance soit important. La capacité portante du pieu augmente généralement au cours de ce type d’essai (Figure I.44) ;
- essais instables : Tsuha et al. (2012) expliquent qu’au cours de ces essais, un comportement non-élastique est noté dans le massif de sol entourant la fondation et à l’interface. Une forte contractance et donc une forte réduction de contrainte radiale sont notées à l’interface sol-pieu (Figure I.45). Ces deux phénomènes provoquent une rupture de l’interface en moins de 100 cycles. La rupture évolue de la tête du pieu vers la pointe. L’accumulation des déplacements s’accélère rapidement dans le cas d’un chargement non-alterné. Dans le cas d’un chargement alterné, les déplacements changent de direction (du tassement vers le soulèvement) car la dégradation de la capacité portante rend le pieu plus vulnérable à la traction ;
- essais métastables : Tsuha et al. (2012) décrivent ce type d’essais comme étant compris entre les deux limites précédentes. Tous ces phénomènes peuvent se produire à l’interface :
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glissement, réduction des contraintes radiales et réduction de la capacité portante (Figure I.46). L’apparition de ces phénomènes dépend du niveau de chargement imposé. Cependant, le pieu peut supporter une centaine de cycles avant d’atteindre la rupture. Le mouvement est principalement concentré autour de la fondation et non dans tout le massif.
Figure I.43 : Chemins de contraintes dans le pieu (σ,τ) pour trois niveaux de pieu au cours de deux essais stables (Tsuha et al., 2012)
Figure I.44 : Evolution des capacités portantes de différents types après les essais de types stables, métastables et instables (Tsuha et al. , 2012)
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Figure I.45 : Chemins de contraintes pour trois niveaux de pieu au cours d'un essai instable (Tsuha et al. , 2012)
Figure I.46 : Chemins de contraintes pour trois niveaux de pieu au cours d'un essai métastable (Tsuha et al. , 2012)
En ce qui concerne le comportement à la base du pieu et plus particulièrement la dégradation de la résistance en pointe limite, peu de données sont disponibles. Générallement, comme l’amplitude des chargements cycliques en pointe est très faible, une légère émlioration de la résistance de pointe est observée. La dégradation de la résistance de pointe se produit pour des valeurs de déplacements supérieurs aux déplacements admissibles. Ainsi, l’effet négatif des chargements cycliques sur la résistance de pointe peut être négligé.
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