Comparative Evaluation of Shallow and Deep Foundation Design in Variable Cohesionless-Cohesive Soil Strata: A Structural-Geotechnical Perspective

Chaque bâtiment, de la modeste maison au gratte-ciel imposant, repose sur un partenaire invisible pour tenir debout : la fondation. Cette structure souterraine agit comme un pont critique, transférant le poids immense des murs, des sols et du toit vers la terre en dessous. Cependant, le sol n'est pas un bloc solide et uniforme ; c'est un milieu complexe et vivant de sol et de roche qui se comporte différemment sous la pression. Certains sols sont denses et granuleux, comme le sable sec, offrant une résistance ferme. D'autres sont mous et collants, comme l'argile humide, qui peut s'écraser et s'affaisser avec le temps. Si un constructeur place une structure lourde sur un sol meuble sans ajuster la conception, le sol peut se comprimer de manière inégale. Cet affaissement inégal, connu sous le nom de tassement différentiel, peut provoquer des fissures dans les murs, bloquer les portes et, dans les cas graves, mener à l'effondrement structurel. Le défi central pour les ingénieurs est d'adapter le type de fondation à la nature spécifique du sol, garantissant que le bâtiment reste sûr et de niveau pendant des décennies.

Dans une étude récente, des chercheurs du Groupe de recherche en génie structurel et géotechnique du campus technique D Y Patil à Talsande, en Inde, ont abordé ce problème précis. Ils ont cherché à comparer la performance de différents modèles de fondations lorsqu'ils sont soumis à la même charge lourde à travers trois types de sols très différents. L'équipe s'est concentrée sur une structure de bâtiment standard de cinq étages, appliquant une force descendante constante de 1200 kilonewtons pour voir comment diverses stratégies de fondation résisteraient. Ils ont examiné quatre approches distinctes : la semelle isolée, qui est un bloc de béton unique sous chaque colonne ; la semelle combinée, qui relie deux colonnes ; le radier ou la fondation sur dalle, une grande dalle continue supportant tout le bâtiment ; et la fondation sur pieux profonds, où de longues colonnes de béton sont forées profondément dans le sol pour contourner les couches faibles. Leur objectif était de déterminer quelle méthode offrait le meilleur équilibre entre sécurité, coût et stabilité dans des sols allant du sable dense à l'argile marine molle et compressible.

L'étude a commencé par modéliser le comportement de trois couches de sol spécifiques. La première était un sable dense et sans cohésion, représentant un sol fort où les particules de sol se verrouillent étroitement. La deuxième était un sol de consistance moyenne possédant à la fois une certaine viscosité et une certaine friction, un mélange courant sur de nombreux sites de construction. La troisième était une couche hautement problématique d'argile marine saturée et molle, un matériau connu pour être faible et sujet à un affaissement important sous la charge. En utilisant des théories établies de la mécanique des sols, les chercheurs ont calculé à quel point chaque type de fondation s'enfoncerait et si le sol pourrait supporter le poids sans défaillance. Ils ont examiné deux critères principaux : si le sol allait subir un cisaillement ou se rompre sous la pression, et si le bâtiment allait trop s'affaisser ou s'affaisser de manière inégale, ce qui pourrait endommager la structure au-dessus.

Les résultats ont révélé une division claire et spectaculaire basée sur le type de sol. Dans le sable dense, la solution la plus simple s'est avérée être la plus efficace. Une semelle isolée, un bloc de béton unique mesurant 1,8 mètre par 1,8 mètre, a facilement supporté la charge avec une capacité sûre de 385 kilopascals. Le bâtiment s'est tassé de seulement 11,4 millimètres, un montant infime qui ne présente aucun risque pour la structure. Cela a confirmé que pour les sols granulaires forts, les semelles individuelles sont hautement efficaces et économiques. Cependant, à mesure que la qualité du sol se dégradait, la performance de ces semelles simples se détériorait rapidement. Dans le sol de consistance moyenne, la taille requise de la semelle devait augmenter à 2,7 mètres par 2,7 mètres pour éviter la défaillance, et le tassement est passé à 28,6 millimètres.

La situation est devenue critique dans l'argile marine molle. Ici, les chercheurs ont découvert qu'une semelle isolée devrait être énorme, couvrant 4,8 mètres par 4,8 mètres, pour approcher ne serait-ce qu'une limite de charge sûre. Même avec cette taille massive, le tassement prédit était de 118,5 millimètres, un chiffre dangereux. L'étude a mis en évidence un problème géométrique crucial : lorsque les semelles individuelles deviennent aussi grandes, leurs zones d'influence se chevauchent considérablement. Ce chevauchement crée une pression cumulative profondément dans le sol qui accélère l'affaissement inégal et peut induire des moments de flexion secondaires dans les colonnes et les poutres du bâtiment, menaçant l'intégrité de toute la structure. Les chercheurs ont noté que lorsque la surface totale des semelles isolées dépasse la moitié de l'empreinte du bâtiment, la conception n'est plus viable.

Pour résoudre le problème dans l'argile molle, l'équipe a testé des stratégies alternatives. Ils ont constaté que passer à un radier, une grande dalle couvrant toute l'empreinte du bâtiment, aidait en répartissant la charge plus uniformément. Cela a réduit le tassement à 64,2 millimètres, une amélioration significative, mais la pression sur le sol restait élevée, et le tassement était toujours substantiel. La solution la plus efficace pour l'argile molle était la fondation sur pieux profonds. En enfonçant des pieux en béton coulé en place par forage de 14 mètres de profondeur, la structure contournait la couche d'argile marine molle via l'adhérence de paroi et développait une forte résistance de pointe dans le sable graveleux dense sous-jacent. Cette approche a réduit le tassement total à seulement 8,5 millimètres, soit une réduction de 86,7 % par rapport à la semelle isolée. Ce niveau de stabilité a ramené le tassement dans les limites sûres requises pour prévenir les dommages structurels.

Les chercheurs ont conclu que la capacité portante seule ne suffit pas pour concevoir une fondation sûre ; la capacité du sol à se tasser sans endommager le bâtiment est souvent le facteur décisif. Dans les sols forts, les semelles isolées simples sont le meilleur choix. Dans les sols intermédiaires, des semelles combinées ou des conceptions par paliers peuvent être nécessaires. Mais dans les argiles molles et faibles, l'étude a explicitement exclu les semelles isolées pour tout ce qui dépasse les structures de très faible hauteur. Au lieu de cela, les auteurs recommandent que les bâtiments de moyenne à haute hauteur dans de telles conditions doivent utiliser des systèmes de pieux profonds ou une combinaison de pieux et de radiers. Les conclusions fournissent un cadre de décision clair pour les ingénieurs : à mesure que la résistance du sol diminue, la fondation doit passer de simples blocs superficiels à des systèmes profonds et interconnectés qui atteignent un sol compétent, garantissant que le bâtiment au-dessus reste de niveau et sécurisé.