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Méthodes de conception et étude du comportement sismique des fondations superficielles sur sol naturel et traité, considérant l'interaction sol-structure

Galy, Bertrand (2013). Méthodes de conception et étude du comportement sismique des fondations superficielles sur sol naturel et traité, considérant l'interaction sol-structure. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans les méthodes actuellement préconisées par les codes et normes, l’évaluation de la capacité portante des sols non liquéfiables pour un chargement sismique se fait à l’aide de méthodes statiques, comme préconisé par le Manuel Canadien d’Ingénierie des Fondations (MCIF). Les méthodes des courbes enveloppes, ou les méthodes pseudo dynamiques basées sur un calcul en plasticité pourraient être utilisées afin d’améliorer la conception. Pour les sols liquéfiables ou présentant des paramètres géotechniques faibles, les fondations profondes sont souvent privilégiées. Mais il peut être parfois plus économique d’envisager un traitement de sol (comme le vibroremplacement) et un système de fondation superficiel. Cependant, le comportement sismique de ce type de système est encore mal connu.

Plusieurs chercheurs ont récemment déterminé des facteurs de capacité portante pour les conditions dynamiques prenant en compte ces forces inertielles dans le sol (Richards, Pecker, Fishman, Choudhury). Pour représenter adéquatement un chargement complexe, il est préférable de choisir une courbe enveloppe plutôt qu’une méthode classique d’évaluation de la capacité portante. Les courbes enveloppes expérimentales pour des chargements pseudostatiques ont été développées récemment. Des courbes enveloppes théoriques sont actuellement présentées dans l’Eurocode 8 et tiennent compte des forces d’inertie dans le sol. Une analyse comparative indique que les méthodes classiques surestiment la résistance en moment.

Le vibroremplacement permet (i) de diminuer le potentiel de liquéfaction d’un sol et (ii) d’améliorer les propriétés du sol situé entre les colonnes de ballast. Plusieurs méthodes permettent d’évaluer les effets du vibroremplacement. La méthode de Priebe consiste à estimer les propriétés du sol homogène équivalent. Baez Satizabal propose des équations, basées sur des mesures in situ, permettant de calculer les résultats attendus aux essais de pénétration standard SPT et aux essais piezocône CPT après traitement pour le sol situé entre les colonnes de ballast.

Le chiffrier Excel, appelé CaPoDyn (pour Capacité Portante Dynamique) développé dans cette thèse permet d’évaluer les capacités portantes des sols pour des conditions statiques ou dynamiques, dans le cas de sites traités par vibroremplacement ou non. Une validation à l’aide d’un logiciel de différences finies (FLAC) a été faite pour le cas statique. La méthode « MCIF-Priebe » proposée dans CaPoDyn est celle qui donne les résultats les plus proches des valeurs de capacité portante obtenues avec les modèles numériques.

Deux études paramétriques ont été menées pour le cas statique et pseudo-dynamique. La première s’est concentrée sur l’évaluation de la capacité portante avec le chiffrier CaPoDyn pour des taux de remplacement et des accélérations variables. Pour un sol de bonne qualité (ϕ’>35°, N>26), la capacité portante n’augmente pas (ou peu), quel que soit le taux de remplacement choisi. La deuxième étude paramétrique, menée avec le logiciel de différences finies FLAC, s’est concentrée sur l’effet de la taille de la zone traitée pour deux scénarios: (i) « construction » où l’on traite le sol sous la semelle de fondation (ii) « réhabilitation » où l’on ne peut traiter que le sol au pourtour de la semelle. Il a été observé qu’au-delà d’une certaine largeur de traitement (4B en « construction » et 1,5B de part et d’autre en « réhabilitation ») la capacité portante n’augmente plus. D’autre part, il est plus avantageux de traiter en largeur qu’en profondeur lorsque l’on vise à augmenter la capacité portante.

Enfin, la thèse présente une étude, réalisée avec FLAC, du comportement sismique d’une fondation superficielle, installée sur un sol traité par vibroremplacement et considérant l’Interaction Sol-Structure. Deux cas de figure ont été considérés : (i) nappe phréatique en profondeur et (ii) nappe phréatique en surface. Plus la zone traitée est grande et le taux de remplacement important, plus le tassement sera faible. Il y a cependant quelques exceptions car l’inclusion d’un élément de sol plus rigide peut mener à une amplification de l’onde sismique en surface. En conséquence une étude numérique est à conseiller pour optimiser la zone traitée. Par contre, quel que soit le taux de traitement et la taille de la zone traitée, il y a une nette amélioration du comportement de la fondation sous chargement sismique (tassement au centre environ divisé par 2 ou plus). Il apparait qu’un traitement de sol sur une très large zone et une grande profondeur peuvent être favorables pour certains accélérogrammes. Il faudra donc estimer au cas par cas si le surcoût entraîné par de telles proportions de traitement est justifié à la vue de l’amélioration de comportement attendue.

Titre traduit

Design methodology and behavior of shallow footings on natural and stone column reinforced soil, considering soil-structure interaction

Résumé traduit

Current rules and regulations prescribe a static equivalent approach in order to evaluate the seismic bearing capacity of non-liquefiable soils, as does the Canadian Foundation Engineering Manual (CFEM). Newer methods, such as interaction diagrams or pseudodynamic plasticity based approaches could be used in order to improve the seismic design of shallow footings. For liquefiable or poor soil conditions, deep foundations are often preferred. Nevertheless, in some cases it may be economically interesting to choose shallow footings combined with soil reinforcement (such as vibroreplacement). Generally, engineers chose to install stone columns in order to mitigate the liquefaction risk, however, the beneficial effects of such a reinforcement upon the geotechnical properties of the soil reinforced are often neglected. As a consequence, the design adopted might be too conservative, while in fact the real system performance is unknown.

Many researchers recently proposed new bearing capacity factors Nc, Nq and Nγ for dynamic conditions, taking into account inertia forces in the soil (Richards, Pecker, Fishman, Choudhury). In order to represent adequately a complex loading on a footing, interaction diagrams are a better option to estimate the bearing capacity instead of classical methods. Experimental interaction diagrams were developed recently. Theoretical interaction diagrams are included in the Eurocode 8 and consider inertial forces in the soil. A comparative analysis indicates that classical methods overestimate the soil’s resistance to moment.

Stone column reinforcement has two main advantages: (i) it mitigates the liquefaction risk as the stone columns act as a vertical draining system, (ii) it improves the geotechnical properties of the soil between the columns. Priebe’s method consists in computing the geotechnical properties of an equivalent homogenous soil. Baez Satizabal proposes a method to estimate the geotechnical properties of the soil between the stone columns.

An Excel spreadsheet called CaPoDyn (Dynamic Bearing Capacity) has been developed in this thesis to compute the soil bearing capacity for static and seismic conditions, for a nonreinforced soil and for a stone column reinforced soil. Classical, experimental and theoretical methods presented in the previous sections (interaction diagrams, Richards, Priebe, baez Satizabal) are combined when possible. Each of these methods has been validated separately in order to be implemented in CaPoDyn, and results for the static case have been validated with a finite difference code (FLAC). It appears that the approach combining Priebe’s and the CFEM methods gives the most realistic bearing capacities.

Two parametric studies were conducted. The first one considers different area replacement ratios and acceleration coefficients. For a soil with good geotechnical properties (ϕ>35«), the stone columns do not have a great impact on the bearing capacity, even for a great area replacement ratio. The second parametric study conducted with FLAC focuses on the effect of the dimensions of the soil reinforcement. It takes into account two case scenarios: (i) “construction” where the reinforcement is installed prior to the footing installation,(ii) “rehabilitation” where the stone columns are installed around the previously built footing. The bearing capacity does not increase significantly after a width of treatment reaching 4B for the construction scenario or 1,5B on each side of the footing for the rehabilitation scenario. It is also observed that it is more efficient to reinforce on a large width than on large depth when the objective is to improve the bearing capacity.

The last part of the thesis focuses on the seismic behaviour of a surface footing resting on a stone column reinforced soil. The analyses were made with the finite difference code FLAC. Two cases are considered: (i) water table deep below the surface level, (ii) water table at the surface level. In general, the greater the area reinforced with stone columns and the greater the area replacement ratio, the less settlement is recorded for the footing. There are some exceptions that are difficult to anticipate since the inclusion of a rigid element in the soil can lead to an amplification of the seismic signal. As a consequence it is recommended the use numerical models to optimize the reinforcement area. However, no matter which reinforcement parameters are chosen, the seismic behaviour of the footing is significantly improved compared to the case where the soil is left unreinforced (the footing settlement is twice as low, or even more). It appears that soil reinforcement on large width and depth might be a good option for certain accelerograms. For a large area of soil reinforcement each case should be studied to evaluate the economic benefit of the improvement in seismic behaviour.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliographie : pages 399-412.
Mots-clés libres: Fondations (Construction) Constructions Effets des tremblements de terre sur. Sols. Interaction sol-structure. Différences finies. ballast, capacité, colonne, FLAC, naturel, portant, semelle, superficiel, traité, vibroremplacement
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Nollet, Marie-José
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
LeBoeuf, Denis
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 29 nov. 2013 17:33
Dernière modification: 10 mars 2017 00:52
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1224

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