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Digeste de la construction au Canada, 1973-10
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Congélation adhérente et soulèvement des fondations dû au gel
Penner, E.; Burn, K. N.
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 128F
Congélation adhérente et
soulèvement des fondations du au
gel
Publié à l'origine en octobre 1973 E. Penner et K.N. Burn
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
Le fait de placer les rigoles de fondation au-dessus de la ligne de gel dans les sols pouvant être affectés par le gel ne donne pas nécessairement la certitude qu'une construction sera à l'abri des soulèvements. Les mouvements engendrés dans le sol par la croissance des lentilles de glace peuvent être transmis à la construction si le sol gèle à hauteur des murs de fondation ou des colonnes portantes. Ce phénomène porte le nom de congélation adhérente.
L'objet du présent Digest est d'attirer l'attention sur les problèmes que pose le soulèvement des fondations engendré par la congélation adhérente et se présentant dans certaines constructions. Parmi ces dernières figurent les garages et abris d'automobiles attenant à un bâtiment, les garages en sous-sol, les garages séparés, les entrepôts non chauffés, les cottages, et, parmi les éléments des services mécaniques et électriques, ceux qui sont sensibles aux mouvements différentiels.
La transformation de l'eau en glace augmente considérablement la résistance du sol; ce renforcement est, d'un autre côté, responsable de l'existence de liaisons très fortes (congélation adhérente) qui peuvent se développer entre un élément de fondation et le sol. Au cours de la croissance des lentilles de glace à hauteur de la ligne de gel, la plupart des changements de volume engendrent un déplacement vers le haut de la couche gelée. La poussée vers le haut exercée par la lentille de glace au cours de sa croissance est transmise à l'élément de fondation auquel le sol gelé est lié du fait de la congélation adhérente. Elle engendre, sur cet élément, des tensions, et cause des déplacements, à moins que la charge permanente du bâtiment ou d'autres forces de résistance n'excèdent la force de soulèvement (Figure 1).
Figure 1. Comportement des murs en blocs de béton et des piliers dans des sols soulevés par le gel.
La congélation adhérente n'est pas, en elle-même, indésirable. Elle n'acquiert des propriétés destructives que si elle concerne des sols susceptible de gel (soulèvements) et si les déplacements résultant de ces soulèvements sont transmis à la construction. Dans la plupart des cas, en effet, la transmission n'est pas uniformément répartie sur toute la construction; il en résulte des distorsions. Il arrive fréquemment aussi que les matériaux du sol tombent dans les cavités engendrées par le processus de gonflement; la construction ne peut alors réoccuper sa position primitive. Les difficultés peuvent, dans ces conditions, empirer d'année en année de sorte que les dommages infligés tant aux fondations qu'à la superstructure vont en croissant. Il est donc nécessaire, lorsqu'on dresse les plans de constructions non protégées contre les gelées saisonnières, de tenir compte de la possibilité de congélation adhérente et de soulèvements dûs au gel.
Il n'est possible d'évaluer l'éventualité de rencontrer des difficultés de cette nature, sur une construction et un sol donnés que si l'on dispose de connaissances relatives au processus de, soulèvement (CBD 26F). On peut ordinairement, en pareil cas, si l'on est en mesure d'identifier les sols susceptibles de gel, prendre, au stade des études, des dispositions de nature à éviter des difficultés ultérieures.
Forces de Congélation Adhérente et Forces de Soulèvement
On n'a pas encore exécuté, sur la force de la Congélation adhérente, des études suffisantes pour pouvoir dresser une liste des valeurs précises applicables sur le terrain à tous les matériaux de fondation mis en oeuvre dans divers types de sols (par exemple béton, bois, et acier). On ne saurait donc utiliser les valeurs, en nombre limité, dont on possède une détermination, qu'à titre de guide général. On a calculé des forces de congélation adhérente en divisant la force de soulèvement, mesurée sur le terrain, par la surface de contact entre l'élément de fondation et le sol gelé. On a trouvé que la force de soulèvement qui s'exerce sur piliers d'acier de diamètre 31/2 pouces, placés dans de l'argile, a égalé au maximum 6,000 livres pendant deux hivers consécutifs dans le cas d'un gel pénétrant à une profondeur de 31/2 pieds. Ce chiffre équivaut à un effort moyen de cisaillement dû à la congélation adhérente s'élevant à 12.5 lpc environ; il s'est avéré légèrement inférieur aux valeurs déterminées ailleurs sur la base d'autres conditions de sol et de climat. La congélation adhérente maximale mesurée sur un mur en blocs de béton s'est élevée à 10 lpc environ au même emplacement.
Les informations disponibles dans la littérature technique indiquent que les valeurs des forces de congélation adhérente relatives au bois et au béton sont quelque peu inférieures à celles qui
concernent l'acier; on pense, en outre, qu'elles dépendent, dans une certaine mesure, des dimensions et de la disposition géométrique des fondations. La Division des recherches sur le bâtiment exécute actuellement des études portant sur ces facteurs.
On peut, au stade actuel, en tenant compte d'un certain facteur de sécurité, utiliser une valeur de congélation adhérente de 18 lpc pour estimer si la poussée vers le haut qui s'exerce sur une fondation est suffisante pour soulever une construction et produire sur celle-ci une distorsion. En attendant de disposer d'informations plus détaillées, on peut, à toutes fins pratiques, appliquer les mêmes valeurs de congélation adhérente aux matériaux divers couramment utilisés. On trouvera dans la section suivante des méthodes de calcul de la force de soulèvement et de prévention des gonflements.
Fondations Permettant, dans le cas de Constructions Non Chauffées, d'Éviter les Soulèvements Engendrés par la Congélation Adhérente
Il est possible d'éviter le soulèvement de constructions non chauffées en prévoyant des fondations correctement conçues. Les bureaux d'étude disposent de principes et de méthodes divers entre lesquels ils peuvent choisir ceux qui conviennent le mieux à une construction particulière. On ne devra naturellement jamais perdre de vue l'objectif final consistant à supporter le poids de la construction envisagée.
La méthode la plus aisément applicable repose sur le principe consistant à séparer du sol environnant le mur ou la colonne au moyen d'une zone de matériaux granulaires, tels que gravier ou pierre concassée, soigneusement drainés (Figure 2). De ce fait, les forces de soulèvement qui prennent naissance dans le sol soulevé par le gel ne sont pas transmises à la fondation; elles sont dissipées en efforts de cisaillement exercés dans la zone granulaire. Il est important que la zone en question soit bien drainée. En cas contraire, le matériau granulaire se solidifierait en formant une masse gelée et solide. Toutes les forces de soulèvement s'exerçant au dehors de la couche granulaire seraient alors transmises à la fondation et provoqueraient un soulèvement et une distorsion de la construction.
Figure 2. Remblayage de gravier drainé autour d'une colonne ou d'un mur de fondation.
Une seconde méthode consiste dans l'emploi de colonnes ou murs ancrés; on oppose ainsi une résistance aux forces de soulèvement dues au soulèvement du sol et au fait que ce dernier est lié, par congélation adhérente, aux côtés de la fondation. Le dessin schématique de la Figure 3 illustre cette méthode. Il est possible d'estimer la force de soulèvement en se basant sur celle de la congélation adhérente, sur la profondeur probable de pénétration du gel, et sur le périmètre du mur ou de la colonne. On utilise la formule suivante:
dans laquelle U d p f = force de soulèvement = profondeur du gel = périphérie de colonne ou de mur = force de la congélation adhérente.
Figure 3. Colonne ancrée (p.ex. en bois, acier ou béton).
La force de soulèvement, U, place en compression la couche de sol non gelé, D - d, située entre la ligne de gel et la partie supérieure de la rigole. On peut établir une estimation de l'aire de rigole nécessaire pour assurer un ancrage satisfaisant. On se basera, à cet effet, sur les caractéristiques de compressibilité en fonction de la charge relatives au remblayage (à la densité à laquelle il est posé), sur la profondeur de pénétration du gel, sur la profondeur de la rigole, et sur le soulèvement admissible (mouvement vers le haut) de la colonne ou du mur d'une construction donnée.
Il est important de mettre en évidence certains aspects de cette méthode:
1. Pour des supports isolés, plus la colonne située dans la couche gelée est mince, plus la surface de congélation adhérente est petite; plus, par suite, la force de soulèvement est faible.
2. Une bonne compaction du remblayage diminue la compression de la couche non gelée et le soulèvement concomitant.
3. Il importe que la profondeur du gel n'atteigne pas la partie supérieure de la rigole. En cas contraire, le soulèvement ne rencontrerait aucune résistance.
On a exécuté à Ottawa des essais portant sur des fondations expérimentales construites dans une argile Léda. Elles consistaient en tuyaux d'acier de diamètre 31/2 pouces, ancrés à des rigoles en béton armé de 2 pieds x 2 pieds x 3/4 de pieds, et placés à une profondeur de 5 3/4 pieds. Le soulèvement n'a atteint que 0.02 pied pour une force de soulèvement mesurée de 6,000 livres. La profondeur du gel était d'environ 3 3/4 pieds. On a calculé que l'effort maximal de compression exercé sur la couche non gelée par la poussée dû au gel était d'environ 3/4 tonne/pied carré. Cette tension ne provoquerait normalement qu'une faible compression dans un remblayage bien compacté et non gelé.
Une troisième méthode consiste à faire usage d'isolants non mouillables tels que les panneaux de mousse de polystyrène; on peut ainsi empêcher le gel des sols qui y sont sujets et qui sont en contact avec la colonne ou le mur de fondation. Il convient, pour obtenir la meilleure protection possible, de placer l'isolant horizontalement et contre la fondation. On l'enterrera en dessous de la surface du sol à une profondeur suffisante pour éviter que la circulation ne l'écrase. On devra, d'autre part, le placer à une profondeur assez faible pour éviter la naissance, en dessus de lui, de difficultés dues à la congélation adhérente.
L'épaisseur d'isolant nécessaire dépend de la rigueur du climat. Dans le cas d'un isolant dont la conductivité thermique est de 0.25 Btu/pouce/pied 2 /h/°F, une épaisseur d'isolant d'un pouce
par 1,000 jours/degrés de gel suffit normalement dans les régions déneigées. À titre d'exemple, il faudrait à Ottawa, sur cette base, une épaisseur d'environ 2 pouces; Halifax exigerait de pouce, et Saskatoon 3 1/2 pouces. Lit largeur de la bande isolante voisine du mur de fondation ou de la colonne doit approximativement égaler la profondeur de pénétration du gel prévue. Il pourra également être nécessaire d'isoler les murs de fondation exposés aux intempéries, de manière à interdire la pénétration du gel et à obtenir la protection maximale. On a étudié d'autres méthodes destinées à empêcher l'adhérence des matériaux gelés aux éléments de fondation; parmi elles figurent l'application d'un lubrifiant aux colonnes, ou l'emploi d'un lubrifiant conjugué avec l'enveloppement des colonnes dans du papier de construction. Ces mesures ne sauraient produire que des effets temporaires. Des travaux importants d'entretien deviennent, d'ordinaire, nécessaires en pareil cas après quelques hivers.
Sous-sols Chauffés
À cause des pertes de chaleur dans le sol environnant, on observe rarement la congélation adhérente du sol sur les murs de fondation non isolés des sous-sols chauffés. La Figure 4 représente le régime thermique qui s'établit autour d'une construction de ce type. Même en cas d'hiver rigoureux, l'isotherme de 32°F ne rencontre pas le mur de fondation si la température du sous-sol est assez élevée. Même dans le cas où le sol utilisé comme remblayage pourrait, en principe, geler, on évite ainsi les difficultés créées par les soulèvements dûs au gel. Si, par contre, la perte de chaleur provenant de la région du sous-sol est assez réduite pour que le sol en contact avec le mur puisse geler, des difficultés peuvent survenir. L'application d'une épaisseur excessive d'isolant à l'intérieur des murs extérieurs de fondation peut donner naissance à des phénomènes de congélation adhérente. Il en est de même si certaines régions du sous-sol (caves froides par exemple) ne sont pas chauffées.
Figure 4. Lignes isothermes du sol d'après les température prélevées le 27 janvier 1956 à la Station régionale des Prairies, Saskatoon, Saskatchewan.
Garages en Sous-Sol avec Rampe de Descente
Lorsque les seuils situés en travers des entrées de garages équipés de rampes de descente sont susceptibles de gel, il arrive souvent qu'ils soulèvent; il en est ainsi même lorsqu'on place des rigoles en dessous de la profondeur maximale de gel. Les problèmes ainsi créés se présentent très fréquemment; aussi la question mérite-t-elle une attention spéciale. Les causes de dommages varient avec les différentes conceptions des détails de construction. Elles consistent cependant en général dans une combinaison des facteurs suivants:
1. L'eau accède facilement aux lieux; l'entrée se trouve en dessous du niveau de la ruelle est alors voisine de la nappe phréatique ou en dessous de celle-ci.
2. On utilise aux fins de remblayage, à l'entrée du garage, à la fois à l'intérieur et à l'extérieur du mur de fondation, des sols susceptibles de gel.
3. La pénétration du gel est maximale parce qu'on a déneigé le passage pour voitures.
4. Le remblayage de gravier n'est pas convenablement drainé et la poussée vers le haut du sol adjacent est transmise au mur de fondation.
5. Les températures du garage sont trop basses pour empêcher les sols de geler autour de l'entrée. La Figure 5 représente un sol susceptible de gel, voisin du mur de fondation sous le seuil, et les difficultés de soulèvement provoquées par la congélation adhérente. Le dessin schématique de la Figure 6 met en évidence les principes de conception et de construction qu'on peut
recommander dans ces conditions. Il est important d'utiliser, à l'entrée du garage, sur les deux côtés du mur de fondation, un remblayage de gravier propre ou de roche concassée.
Figure 5. Soulèvement dû au gel et dommages causés autour de l'entrée d'un garage en sous-sol.
Figure 6. Méthode suggérée pour empêcher les dommages dûs au gel dans les garages en sous-sol.
La profondeur de la rigole doit être inférieure à celle de la pénétration probable du gel et les agricoles de drainage doivent être placées contre les rigoles. Lorsque la rigole située en dessous de la porte de garage est plus basse que le reste de la fondation, il convient de prévoir des dispositions spéciales destinées à en écarter l'eau par drainage. Ces précautions sont indispensables pour éviter les difficultés dues au soulèvement.
