sollicitation. en flexion des pieux par les couches qu'ils ... - EPFL

ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
SOLLICITATION. EN FLEXION DES PIEUX
PAR LES COUCHES QU'ILS TRAVERSENT
THÈSE
PRÉSENTÉE AU DEPARTEMENT DE GÉNIE CIVIL DE
L'ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ES SCIENCES TECHNIQUES
PAR
RENÉ MARCHE
lng6nieur I.N.S.A., Lyon
M.Sc.A, Montreal
originaire de France
accept6e sur proposition des
Prof. E. Recordon, rapporteur
Prof. D. Bonnard, corapporteur
Prof. Y. Lacroix, corapporteur
Prof. R. Sinniger, corapporteur
THÈSE No 171
Lausanne EPFL 1974

AVANT PROPOS
Lors de la mise en place d'une surcharge en surface, à proxi-
mité et sur l'un des côtés d'un ouvrage construit sur pieux,
ces derniers ne sont pas soumis aux seuls effets des charges
de la superstructure et éventuellement du frottement négatif.
Ils sont encore soumis à des efforts horizontaux le long de
leur fût parce qu'ils ont tendance à freiner les déplacements
horizontaux des couches qu'ils traversent,
Dans le cadre de cette étude, on s'applique à préciser, à
partir de l'analyse du comportement de plusieurs ouvrages réels,
les conditions générales pour lesquelles il est probable que
la sollicitation en flexion des pieux par le sol soit préju-
diciable aux pieux ou aux structures qu'ils supportent. On
propose une méthode de calcul des efforts du sol sur les
pieux, de la déformée des pieux et par suite des moments aux-
quels ils sont soumis. On formule, en outre, les règles per-
mettant de faire choix des caractéristiques mécaniques des
sols utilisées pour le calcul. Pour juger du crédit à accorder
à ces règles et à la méthode de calcul proposée, trois cas de
chargement réels sont analysés et les moments et déplacements
des pieux prévus théoriquement sont comparés à ceux qui ont été
mesurés lors des essais. Les hypothèses supplémentaires devant
être faites dans le cadre d'une étude de projet sont précisées
et plusieurs dispositions constructives visant à réduire les
efforts de flexion dans les pieux sont indiquées.
Les travaux de recherche associés à l'étude ont été conduits sous
la direction de Monsieur le Professeur Edouard Recordon, Direc-
teur du Laboratoire de Géotechnique de 1'Ecole Polytechnique
fédérale de Lausanne. Nous avons été particulièrement sensible
21 la justesse et à la bienveillance de ses interventions. Nous
lui présentons l'expression de notre profonde gratitude.

Notre reconnaissance va très naturellement à Monsieur le
Professeur Jacques Hurtubise, Directeur du département de
Génie civil de 1'Ecole Polytechnique de Montréal, notamment
pour nous avoir donné de connaître les fondements et la matu-
rité de son art.
Que Monsieur le Professeur Yves Lacroix veuille bien trouver
ici l'expression de notre respectueuse estime. Il a témoigné
à l'égard de nos travaux d'un intérêt critique et constructif
ajoutant de ce fait à l'exemple offert d'une pratique profes-
sionnelle qui a marqué notre formation.
Nous remercions Messieurs les Professeurs Daniel Bonnard et
Richard Sinniger d'avoir bien voulu examiner le document et
faire plusieurs suggestions propres à lui conférer plus de
clarté et de concision.
Nous tenons également à remercier Monsieur Roger Langlois,
Directeur de 1'Ecole Polytechnique de Montréal et Monsieur
Henry van der Noot, Directeur de la firme Franki of Canada
Ltée pour l'aide qu'ils nous ont apportée à différents titres
notamment au plan financier.
L'autorisation d'utiliser les résultats obtenus lors des essais
exécutés au chantier de SIDMAR à Zelzate nous a été accordée
par la firme Pieux Franki, Liège. Nous tenons à exprimer notre
reconnaissance à Monsieur le Professeur E.E. De Beer, Directeur
du laboratoire de Géotechnique de 1'Etat et à Monsieur Maurice
Wallays chef de la Division de Mécanique des sols de la firme
Pieux Franki, Liège, qui ont dirigé l'essai et qui en ont dis-
cuté, nous communiquant par ailleurs certaines informations
supplémentaires s'y rapportant.

Page titre
Page de garde
Avant-propos
Table des matières
Liste des tableaux
Liste des figures
Liste des notations
1. INTRODUCTION
TABLE DES MATIERES
PREMIERE PARTIE
ANALYSE
1.1 Nature du problème
1.2 Données actuelles
1.3 Cadre de l'étude
2. OBSERVATIONS TISEES DE L'ANALYSE D'OUVRAGES
2.1 Conditions propres à l'apparition de
conséquences préjudiciables
2.2 Période critique
2.3 Nature des couches
2.4 Géométrie du chargement
2.5 Conciusions
3. INTERACTION ENTRE LE PIEU ET LE SOL
3.1 Intéraction
3.2 Cas de déplacement empêché en tête
3.3 Notion de réaction
3.4 Conclusions
Page

4. METHODE DE CALCUL DES EFFORTS DE FLEXION
4.1 Conditions générales de sollicitation
4.2 Conditions considérées
4.3 Principe de la méthode
4.4 Résolution du calcul
4.4.1 Equilibre du pieu
4.4.2 Moment tiré de la déformée du pieu
4.4.3 Compatibilité
4.4.4 Prise en compte de la non linéarité
4.5 Programme de calcul
4.6 Approximations inhérentes a la
formulation du calcul
5. ETABLISSEMENT DES DONNEES DU CALCUL
5.1 Déplacements horizontaux du sol
5.2 Courbes de réaction
5.2.1 Généralités
5.2.2 Forme des courbes de réaction
5.2.3 Module de réaction
5.2.4 Pression ultime
5.2.5 Influence de la proximité de la
surface
5.3 Conclusions

DEUXIEME PARTIE
ETUDE DE TROIS ESSAIS DE CHARGEMENT
6. ESSAIS REALISES A ZELZATE, BELGIQUE
6.1 Description des essais 87
6.2 Résultats des essais 90
6.3 Observations 9 5
6.4 Etude prévisionnelle 9 9
6.5 Moments et déplacements calculés des pieux 101
6.6 Influence des paramètres de calcul 1 07
6.6.1 Déplacements horizontaux du sol 1 07
6.6.2 Modules de réaction 1 09
6.6.3 Pressions ultimes
6.7 Déplacements calculés du massif
6.7.1 Conditions envisagées
6.7.2 Déplacements calculés 122
6.8 Moments calculés à partir des déplacements 133
calculés du sol
6.9 Conclusions 135
7. ESSAIS REALISES A AMSTERDAM, HOLLANDE
7.1 Description des essais, 139
7.2 Résultat des essais et observations 143
7.3 Moments et déplacements calculés 144
7.3.1 Paramètres considérés
7.3.2 Résultats
7.4 Conclusions

8. ESSAIS REALISES EN ALLEMAGNE EN BORDURE
DE LA MER DU NORD
8.1 Description des essais
8.2 Résultats des essais et observations
8.3 Moments et déplacements calculés
8.3.1 Paramètres considérés
8.3.2 Résultats
8.4 Conclusions
TROISIEME PARTIE
DISPOSITIONS PARTICULIERES
9. HYPOTHESES SUPPLEMENTAIRES ET DISPOSITIONS 170
CONSTRUCTIVES
10. RESUME ET CONCLUSION 175
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 7 79

RESUME ET CONCLUSION
Lors de la mise en place d'une surcharge en surface, à proximi-
té et sur l'un des côtés d'un ouvrage construit sur pieux, ces
derniers sont soumis entre autres à un système de pressions
latérales de la part des couches qu'ils traversent parce qu'ils
ont tendance à entraver les déplacements horizontaux de ces
couches. Le déplacement des pieux qui en résulte peut être
communiqué aux structures qu'ils supportent et le cas échéant
les pieux peuvent se rompre en flexion.
Dans le cadre de l'étude, les conditions générales pour les-
quelles il est probable qu'il faille envisager les conséquen-
ces des pressions latérales sur les pieux ont été cernées. Une
méthode de calcul envisageant le cas du pieu isolé et tenant
compte de l'interaction entre ie sol et le pieu a été formulée
pour prévoir les pressions et les moments auxquels ce dernier
est soumis.
On admet que les déplacements horizontaux du sol, au droit des
pieux, sont connus et que le sol a un comportement élasto-
plastique,traduit par des courbes de réaction. Ces dernières
lient les déplacements du pieu aux pressions qui lui sont ap-
pliquées. Plusieurs règles sont suggérées pour déduire les
courbes de réaction relatives à des conditions à court terme
des résultats d'essais couramment effectués. Pour juger du
crédit à accorder à ces règles st à la méthode de calcul pro-
posée, trois cas de chargement ayant fait l'objet de mesures
en place sont analysés. Les moments et déplacements des pieux,
prévus théoriquement, sont comparés à ceux mesurés lors des
essais. L'influence des valeurs attribuées aux paramètres de
calcul sur les résultats est évaluée. Des indications sont
données en ce qui concerne les conditions de restreinte devant

être considérées en tête des pieux, la prise en compte de l'effet
de groupe, l'époque où la sollicitation est la plus critique.
Les dispositions constructives courantes permettant d'éviter ou
de réduire les efforts de flexion dans les pieux sont mentionnées.
Très généralement, la sollicitation en flexion a des effets pré-
judiciables quand les pieux traversent des couches cohérentes
de consistance molle à moyenne ou des couches de sable lâche.
Les pressions sur les pieux sont d'autant plus élevées que ces
derniers freinent efficacement les déplacements horizontaux du
sol. Elles sont d'autant plus élevées que les pieux sont rigides,
que leur déplacement en tête et en pied est empêché efficacement
et que les déplacements horizontaux du sol sont importants.
Quand les pieux traversent des couches molles, des dommages sont
peu probables si l'accroissement de pression verticale à la
surface de la couche molle est inférieur à 3 s . Les consé-
U
quences d'une sollicitation en flexion des pieux devraient
être examinées dès que le chargement imposé en surface à proxi-
mité des pieux a un facteur de sécurité vis-à-vis d'une rupture
circulaire inférieur à 1,4 environ, ce facteur de sécurité
étant calculé sans tenir compte de l'effet stabilisateur des
pieux.
La méthode de calcul proposée est simple. Elle traduit avec
une approximation satisfaisante le phénomène physique à l'ori-
gine des efforts de flexion dans les pieux. La part d'erreur
due à la formulation du calcul semble négligeable devant celle
résultant de l'approximation avec laquelle les paramètres de
calcul sont obtenus. Parmi les paramètres de calcul, les dépla-
cements horizontaux du sol ont l'influence prédominante; les
moments maximum calculés dépendent largement de la précision
avec laquelle ils ont été obtenus.

Quand les déplacements horizontaux du sol utilisés pour les
calculs ont été mesurés avec des inclinomètres, les moments
calculés sont voisins de ceux mesurés. Ils en diffèrent de
18 % au plus pour les trois essais de chargement analysés. Les
déplacements horizontaux calculés théoriquement ne permettent
d'obtenir, par contre, que l'ordre de grandeur des moments dans
les pieux parce qu'ils ne peuvent être prévus, à l'heure actuel-
le, qu'avec une faible précision.
Les moments calculés dépendent peu de la valeur des modules de
réaction dans la mesure où ces derniers sont plausibles et où
leur variation en fonction de la profondeur traduit correcte-
ment les différences de rigidité des couches traversées par
les pieux. Il en est de même pour les pressions ultimes. En
conséquence, 'l'incertitude liée à l'établissement des courbes
de réaction n'entraîne pas d'imprécision importante sur les
moments calculés. Les règles suggérées pour établir les courbes
de réaction sont raisonnables et suffisantes.
Quand les pieux traversent des couches molles, il est probable
que la sollicitation la plus défavorable ait lieu à moyen ou
à long terme. La méthode proposée permet de calculer les moments
à moyen et à long termes dans la mesure où les modules de réac-
tion et déplacements horizontaux du sol sont connus pour ces
périodes. Si la prévision des courbes de réaction ne pose pas
de problème particulier, celle des déplacements horizontaux
du sol n'est pas résolue de fason satisfaisante à l'heure
actuelle.
Pour réduire les efforts de flexion dans les pieux il peut être
fait appel à certaines dispositions constructives précisées dans
le texte.

Les pieux doivent être en mesure de supporter le chargement
combiné des efforts en tête, des pressions latérales du sol,
éventuellement des charges résultant du frottemen't négatif.
La sollicitation en flexion, quand elle existe, est très sou-
vent déterminante quant au dimensionnement des pieux.