Le choix du type de fondations

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Digeste de la construction au Canada, 1967-11

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Le choix du type de fondations

Digeste de la Construction au Canada

Division des recherches en construction, Conseil national de

recherches Canada

CBD 81F

Le choix du type de fondations

Publié à l'origine en novembre 1967 R.F. Legget et C.B. Crawford

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.

Exception faite du sous-oeuvre des petits ouvrages de construction, le choix des fondations consiste en trois opérations indispensables :

1. le calcul des charges qui doivent être transmises de l'ouvrage à son sol d'assise;

2. la détermination de la nature exacte du sous-sol, sans oublier les eaux souterraines, jusqu'à une profondeur au moins égale à deux fois la largeur de l'ouvrage; et

3. la conception de fondements qui transmettront sans risque au sol d'assise les charges imposées par l'ouvrage.

Les petits bâtiments dont on ne tient pas compte dans le présent exposé général sont les maisons à un ou deux étages, ou les ouvrages de dimensions équivalentes, dont le poids est si faible par rapport à la superficie du sol d'assise que les méthodes empiriques de calcul des fondations seront habituellement suffisantes, bien qu'il y ait des cas exceptionnels. Le présent Digeste donnera un aperçu des méthodes auxquelles on recourt pour choisir le type de fondement qui convient le mieux à un endroit particulier.

Il existe une grande variété de types de fondements. Si les charges portées par les piliers du bâtiment peuvent être transmises directement au sol sous-jacent, la surface d'assise des piliers peut être élargie suffisamment, par exemple au moyen d'une dalle de béton, d'un treillis de poutres d'acier noyé dans le béton ou même de grosses poutres de bois. Ce genre de fondation est appelé semelle distributrice. Si un ouvrage nécessite plusieurs semelles distributrices, il peut se révéler plus économique de les réunir en une grande dalle de béton sur laquelle les piliers porteront. On a alors une fondation à radier. Cette dalle de fondation flotte en quelque sorte sur le terrain sous-jacent. On recourt parfois au véritable principe de "flottement" quand les fondements sont situés à une grande profondeur. Tout le soubassement d'un bâtiment sert alors de fondation-caisson ou, dans les cas spéciaux décrits plus loin, de fondation flottante. Les types de fondations décrits jusqu'ici sont utilisés à très faible profondeur ou à la surface du sol. Si les charges imposées par le bâtiment doivent être portées par une couche de terrain

située bien au-dessous de la surface, il faut recourir à des piliers souterrains. Si ces piliers consistent en trous cylindriques remplis de béton, il s'agit de fondations sur puits; on utilise généralement cette méthode lorsque les charges sont très lourdes. Dans les cas les plus courants, on se servira d'éléments moins massifs que l'on peut battre dans le sol ou mouler en béton dans des trous de diamètre plus réduit que les puits et façonnés d'une manière spéciale. Il s'agit alors de pieux : ceux-ci peuvent être en béton, en acier ou en bois.

Quel que soit le type de fondations auquel on recourt, ses fonctions seront de faire porter les charges sur le sol d'une façon sûre. Il est évident qu'il ne faut jamais outrepasser la force

portante du sol ou du roc. On connaît très peu de cas où cela s'est produit, mais il en est déjà

résulté une catastrophe, le basculement du silo Transcona près de Winnipeg, qui constitue l'un des rares exemples importants et connus dans le monde entier. Il arrive beaucoup plus fréquemment que l'application de la charge totale donne lieu à des tassements excessifs. En recourant aux techniques modernes de la mécanique des sols et en sondant adéquatement le sous-sol, il n'y a aucune raison pour qu'on ne puisse prévoir avec précision les tassements qui auront lieu et concevoir les fondations de façon que les tassements inévitables ne dépassent pas certaines limites admissibles.

Ces calculs sont du domaine d'un spécialiste des fondations. Tout maître d'oeuvre, qu'il soit architecte ou ingénieur, devrait toutefois avoir une bonne connaissance générale des principes régissant la conception des fondations afin de pouvoir en choisir le type convenant le mieux à l'ouvrage qu'il construit. La conception des fondations n'est pas un travail qui, comme on a entendu un maître d'oeuvre le déclarer, "peut être laissé à l'entreprise de palification". Voici un exposé des facteurs les plus importants qui détermineront le choix du type de fondations : Les différentes conditions physiques du terrain

Les différentes natures de sous-sol que l'on peut trouver à tout endroit peuvent appartenir à l'une des trois grandes catégories suivantes :

1. le roc massif se trouve à la surface du sol ou à une profondeur si faible que l'on peut y asseoir directement un édifice; ou

2. la roche de fond est présente à une profondeur permettant au besoin d'y transmettre les charges et les efforts; ou

3. la roche de fond se trouve à une telle profondeur qu'il n'est ni faisable ni économique d'y transmettre les charges, celles-ci devant alors être portées par le sol sus-jacent.

L'influence directe de la structure géologique locale sur la nature du terrain qu'on peut s'attendre à trouver apparaît clairement. Il existe peu de cas au Canada où des bâtiments sont assis directement sur le roc comme on le décrit à l'alinéa n° 1, bien que nombre des édifices les plus imposants de la ville de New-York soient fondés directement sur le schiste de Manhattan qui constitue une si grande partie de l'île de Manhattan. Dans plusieurs villes canadiennes, Montréal, Toronto, Ottawa et Vancouver par exemple, il y a quelques endroits où la roche se trouve assez près de la surface du sol pour qu'on puisse y asseoir directement des constructions, mais cette situation ne constitue un facteur déterminant du choix du type de fondations que dans certaines régions nordiques. La deuxième possibilité (roche de fond à une profondeur accessible) se rencontre très souvent dans les villes canadiennes: Winnipeg en représente un exemple typique, plusieurs de ses édifices reposant sur des puits bétonnés et des pieux qui transmettent les charges à la roche de fond. La troisième situation, c'est-à-dire les cas où la roche saine se trouve à une profondeur telle qu'on ne peut y fonder un bâtiment, existe également au Canada, notamment dans les villes des Prairies comme Saskatoon.

La nature variée du sous-sol suffit à montrer la diversité de la structure géologique de notre pays. Le fait que presque toute la surface du pays ait été rabotée par les glaciers a une importance exceptionnelle, car il en résulte que la configuration de la roche de fond peut être tout à fait différente du relief de la surface correspondante du sol. Il n'existe pas encore au Canada d'exemple aussi remarquable que celui d'Oslo, en Norvège, où un coin d'un édifice maintenant fameux repose directement sur le roc solide tandis que le coin opposé est fondé sur

des pieux d'acier qui s'enfoncent dans le sol jusqu'à une profondeur de 160 pieds avant de s'appuyer sur la même roche. On trouve toutefois dans plusieurs villes canadiennes des édifices qui ont dû être fondés sur une surface rocheuse très inégale : l'édifice des Postes de la rue Besserer, à Ottawa, en est un exemple particulièrement frappant. Par conséquent, même si la roche saine affleure à l'un des coins de la fouille, il n'est pas permis de supposer qu'il en sera de même partout. Il faut absolument effectuer des sondages à intervalles assez rapprochés pour établir avec certitude la profondeur à laquelle le roc se trouve. L'édifice de la section de Physique du bâtiment de la Division des recherches en bâtiment, à Ottawa, était à l'origine conçu comme un rajout à l'Edifice principal. Des sondages ont toutefois révélé qu'à environ 75 pieds du coin arrière du bâtiment existant le niveau de la roche saine s'abaissait de plus de 90 pieds. L'annexe a donc été construite isolément à un endroit où la roche de fond pouvait facilement servir d'assise. Le fait que de telles différences de niveau de la roche sont parfois rencontrées doit toujours être présent à l'esprit lors du calcul des fondations de bâtiments dans notre pays.

Bâtiments assis directement sur le roc

Quand on peut fonder un bâtiment directement sur le roc massif à une profondeur permettant l'exécution économique des travaux, la conception des fondations s'en trouve grandement simplifiée. Il faut naturellement vérifier la solidité et l'uniformité du fond rocheux sur toute la superficie de la fouille au moyen de forages au diamant, particulièrement quand il s'agit de roches sédimentaires où l'on peut trouver des clivages schisteux. En règle générale, les essais de résistance ou de chargement ne sont nécessaires que dans les cas où le roc doit supporter des charges quasi-ponctuelles très lourdes. La présence de nappes phréatiques aura toutefois une importance particulière, non seulement pour les travaux de construction, mais aussi au point de vue de la conception des dispositifs permanents de drainage.

Bâtiments reposant indirectement sur le roc

Il est impossible de préciser quelles sont les profondeurs maximales jusqu'auxquelles on peut économiquement transmettre les charges à la roche de fond quand celle-ci se trouve bien au-dessous de la surface du sol, car la nature du sous-sol, les dimensions du bâtiment et le genre de charges constituent également des facteurs déterminants. On croit que les fondations de la Tour du terminus ferroviaire de Cleveland (Ohio) détiennent le record de profondeur : la tour repose sur des puits de soutien qui s'enfoncent jusqu'à 250 pieds dans le sol avant de s'appuyer sur la roche saine. Il y a au moins un pont au Canada qui est fondé sur des pieux pénétrant à une profondeur quelque peu supérieure à celle-ci, mais il s'agit de cas extrêmes. Grâce aux progrès de la mécanique des sols, on peut habituellement trouver des solutions au problème de la conception des fondations qui ne nécessitent pas de pieux d'une longueur exceptionnelle même si la roche de fond se trouve à une très grande profondeur. Que l'on recoure à des pieux ou à des puits de soutien, le but que l'on vise est de transmettre à la roche de fond les charges imposées par le bâtiment.

Les pieux que l'on utilise de cette façon sont donc des pieux à pointe portante, contrairement aux pieux flottants que nous décrirons dans la prochaine section. Comme ils sont soutenus par le sol environnant, ils sont soumis à des contraintes de compression. Ils peuvent être faits de bois, d'acier ou de béton. En raison des charges considérables qu'imposent les bâtiments modernes, on doit habituellement utiliser l'acier ou le béton, bien qu'un grand nombre de vieux édifices reposent sur des pieux en bois. Cependant, advenant un changement de niveau des nappes phréatiques aux environs de ces bâtiments, le bois peut pourrir et compromettre la solidité de l'édifice. On a découvert que l'affaissement de la Bibliothèque municipale de Boston était dû à ce phénomène. Les pieux en acier sont commodes et faciles à battre dans le sol. Les facteurs économiques motiveront leur utilisation si la nature du terrain s'y prête et si les eaux souterraines ne contiennent pas de substances corrosives qui pourraient s'attaquer aux surfaces exposées de l'acier. Les pieux en béton peuvent être préparés d'avance ou moulés dans le sol : dans le premier cas, il importe de connaître exactement la profondeur d'enfoncement si on veut éviter d'avoir à les couper; quant aux seconds, il faut que la nature

du sol se prête à leur utilisation, même s'il s'agit du type formé par l'enfoncement d'un tube d'acier que l'on remplit ensuite de béton.

Si les charges qu'il faut faire porter sur le roc sont exceptionnellement lourdes et localisées, il arrive que les dimensions maximales que l'on peut pratiquement donner aux pieux soient insuffisantes et que l'on doive recourir à des dispositifs de soutien plus massifs, soit les puits bétonnés. De même, si les études préliminaires ont révélé l'existence de blocs morainiques ou de toute autre condition de terrain qui rendraient difficile, sinon impossible, le battage des pieux, on doit envisager l'utilisation de puits bétonnés de soutien, à moins qu'il ne soit préférable de recourir à un type de fondation totalement différent. On dispose maintenant de machines ingénieuses pour le forage des trous circulaires des puits. Quand la nature du terrain est propice et que les trous sont tubés, les puits peuvent être explorés jusqu'au niveau de la roche saine avant d'y couler le béton. Les fondations de type "puits de Chicago" sont bien connues et largement utilisées, car un grand nombre d'édifices de Chicago ont dû être fondés sur ce genre de puits bétonné de soutien à cause de la couche d'argile bleue qui s'étend sur le site de la ville. Si la nature du sol le permet, il arrive souvent que l'on évase le fond du puits afin d'obtenir une plus grande surface portante sur le roc.

Il apparaît clairement que l'utilisation de toutes les méthodes susmentionnées nécessite une connaissance tout à fait sûre de la structure du sous-sol, et particulièrement du niveau auquel se trouve la roche saine. Ces données permettront une évaluation précise des frais, de sorte qu'on pourra alors établir une comparaison entre le coût de ces types de fondations et celui des nouveaux modes de fondation directe sur le sol.

Bâtiments fondés sur le sol

Les sols sont des matériaux solides qui ne sont pas différents de la roche si ce n'est qu'ils ne sont pas aussi résistants et qu'ils peuvent, comme le sable, se composer de petits fragments de roche dont l'ensemble doit être consolidé pour pouvoir supporter une charge. Une argile raide peut être presque semblable à un schiste plastique, à un tel point qu'il est impossible de tracer une ligne de démarcation absolue entre la roche et le sédiment. De même, les sédiments seront sujets aux contraintes et aux déformations tout comme la roche ou tout autre matériau solide. On peut donc calculer d'avance les contraintes qui seront induites dans tout genre de sol par les charges superposées. Si l'on connaît les caractéristiques de résistance du sol, on pourra prévoir avant le début des travaux de construction la façon dont le sol réagira à l'application des charges. Les caractéristiques de résistance d'un sol peuvent être déterminées au moyen d'essais en laboratoire exécutés sur des échantillons soigneusement prélevés, Ceux-ci doivent être dans un état aussi semblable que possible à celui du sol en place. Comme la plupart des sols contiennent de l'eau, il faut protéger soigneusement les échantillons dès leur prélèvement, habituellement en paraffinant leur étui, de sorte que leur teneur en eau ne varie pas entre le moment du prélèvement et celui de l'essai.

Ces méthodes, de même que les considérations théoriques connexes sur les réactions du sol, constituent la science moderne de la mécanique des sols. L'utilisation convenable des résultats de ces travaux scientifiques permet maintenant à l'ingénieur des fondations de concevoir des fondements pour toute répartition de charges, même assises sur un sol qui laisse prévoir les pires difficultés, ainsi que sur des terrains qui n'ont pas posé de problèmes lorsqu'on les a utilisés de façon plus empirique. Par exemple, si les charges sont relativement légères, que le terrain d'assise possède en même temps une bonne résistance et qu'il ne comporte pas de couche sous-jacente peu résistante qui puisse entraîner l'affaissement de la surface une fois que les charges auront été appliquées, l'utilisation des semelles distributrices ou du type courant de radier en béton peut se révéler suffisante.

Si les échantillons de sol prélevés et les essais ont indiqué l'existence d'une couche de sol résistant à une profondeur appréciable, l'utilisation de pieux peut alors constituer un moyen approprié et économique de transmettre les charges à cette strate d'une bonne capacité portante. Ces pieux tirent également une partie de leur force portante des contraintes de frottement engendrées lorsqu'ils sont battus dans le sol. En outre, la mécanique des sols nous enseigne que l'enfoncement d'un pieu dans les couches supérieures du terrain peut engendrer

des contraintes de frottement latéral donnant au pieu une résistance suffisante pour supporter les charges calculées sans qu'il soit nécessaire d'atteindre une strate portante où s'appuierait la pointe du pieu. Afin de vérifier l'exactitude de ces calculs, on effectue habituellement des essais de chargement sur un ou plusieurs pieux en vraie grandeur battus dans le sol. Il existe maintenant des méthodes normalisées d'essai de chargement, de même que des formules permettant de convertir les résultats d'essais exécutés sur un seul pieu en une évaluation assez juste de la capacité portante d'un groupe complet de pieux.

Avant de prendre une décision quant à l'utilisation de pieux, il importe toutefois de posséder des renseignements extrêmement précis sur la nature du sous-sol en tous les points de l'emplacement futur de l'édifice. Il faut sonder le terrain non seulement pour s'assurer qu'il ne se trouvera pas de blocs morainiques sur la ligne d'enfoncement des pieux, mais aussi pour établir s'il existe des couches molles sous-jacentes. Ces précautions sont particulièrement importantes quand on envisage l'utilisation de pieux de béton forés et moulés dans le sol sans tubage. Ces pieux sont fort commodes et on y recourt très fréquemment, mais leur efficacité dépend des propriétés du sol dans lequel ils sont moulés. La connaissance de la structure du terrain est également essentielle à l'étude d'autres types possibles de fondations.

Certains types de sols argileux, en dépit de leur bonne résistance, ont une structure telle qu'ils sont facilement comprimés par l'application d'une charge et expulsent l'eau qu'ils contiennent. Cette particularité des sols argileux entraînera des tassements excessifs si on y fonde des bâtiments. Cependant, si on extrait l'eau que contient cette argile avant le début des travaux de construction, celle-ci fournira une assise appropriée qui ne sera pas sujette à des tassements pouvant endommager le bâtiment. On peut obtenir ce résultat en appliquant d'avance une charge sur tout l'emplacement qu'occupera l'édifice; on peut employer du sable, par exemple, matériau lourd que l'on pourra enlever facilement quand les travaux débuteront. Cette méthode a été utilisée avec succès sur des types très variés de terrains à bâtir. Le coût de cette méthode en restreint naturellement l'application à des cas plutôt spéciaux, mais il est probable qu'elle se répandra considérablement.

Il existe une méthode beaucoup plus ancienne qui gagne maintenant la faveur des experts : il s'agit des fondations flottantes, le terme "flottant" étant employé au sens propre. En effet, quand un corps flotte sur l'eau, c'est qu'il déplace un volume d'eau dont le poids est égal au sien. De même, un édifice peut flotter sur le sol si son poids et ses charges sont égaux au poids du sol "déplacé", c'est-à-dire de la terre qui doit être enlevée des fouilles pour permettre la mise en place des fondations de l'édifice.

Avant le début des travaux d'excavation, on peut facilement constater que la contrainte existant au niveau du fond des fondations flottantes prévues (en raison du poids de la terre qu'il faudra enlever) est exactement égale à celle qui sera engendrée par le poids du bâtiment et de ses charges quand celui-ci aura été édifié dans l'excavation. Théoriquement, le sol sous-jacent ne devrait subir aucun tassement ultérieur. Il se peut que certaines exigences dictées par la construction modifient légèrement cet équilibre idéal, mais il demeure que l'idée est fondamentalement bonne. On l'a d'ailleurs déjà mise en pratique pour l'érection de plusieurs grands édifices.

Ce n'est toutefois pas une idée neuve. Le célèbre architecte Sir John Rennie s'en est visiblement inspiré pour la conception d'un entrepôt construit au début du dix-neuvième siècle sur les Quais des Antilles, à Londres. Comme beaucoup d'autres idées de ces brillants pionniers de la technique, le concept des fondations flottantes dut attendre jusqu'à ce qu'une bonne partie du vingtième siècle se fût déjà écoulée avant que l'on ne redécouvrît que c'était là l'un des types de fondation les plus solides quand il était impossible d'asseoir un bâtiment directement sur le roc affleurant la surface ou à faible profondeur. L'Edifice des Postes d'Albany, dans l'état de New-York, a été l'un des premiers bâtiments en Amérique du Nord à être assis sur des fondations flottantes. Il existe maintenant au Canada quelques bâtiments qui flottent sur le sol, notamment un bel immeuble à plusieurs étages fondé à Ottawa sur de l'argile de la formation Leda. Grâce aux progrès constants de la technique des fondations, et particulièrement en raison du fait que l'on trouve au Canada tant d'endroits où les sols seraient

réellement affaiblis par le battage des pieux, il semble certain que l'on recourra de plus en plus aux fondations flottantes lorsque tant la nature du sol que les charges imposées par le bâtiment le justifieront.

La conception des fondations de grands édifices requiert naturellement le concours de spécialistes, tout comme l'exécution de toutes les études préliminaires du sous-sol. En même temps, les maîtres d'oeuvre, les architectes et les ingénieurs devraient avoir une connaissance suffisante des principaux types de fondations et de leur corrélation avec la configuration globale du terrain sur lequel la construction aura lieu. Le calcul complet des fondations doit faire partie intégrante de la conception de tout bâtiment; ce n'est pas une opération que l'on peut ou que l'on doit mener à bien une fois que la construction a débuté.

Les fondations des petits bâtiments

L'exposé que nous venons de faire ne touche pas les fondations des petites constructions, car il est rare que l'on doive recourir à des techniques élaborées pour leur conception, on utilise habituellement les méthodes locales d'usage courant. De simples calculs révéleront que les charges imposées au terrain d'assise par une maison unifamiliale, par exemple, sont en effet peu considérables. D'autres facteurs que les charges et les contraintes d'écrasement qui en résultent entreront donc en ligne de compte. Parmi les plus importants, particulièrement dans certaines régions occidentales du Canada, mentionnons l'existence, près de la surface du sol, de terrains argileux susceptibles de se gonfler ou de se contracter fortement en raison des variations de leur teneur en eau. Dans ces régions, il faut recourir à des mesures spéciales afin d'éviter les graves ennuis qui pourraient survenir par suite des mouvements de la superstruction; les fondations des petits bâtiments y sont donc conçues avec plus de soin. On remet maintenant en question des pratiques établies depuis longtemps, comme la nécessité de prévoir des sous-sols dans les maisons. Un digeste ultérieur sera consacré à ce sujet, particulièrement en ce qui concerne les économies que pourrait permettre l'utilisation de dalles de béton placées sur le sol et qui tiendraient lieu de fondations pour les maisons.