Soutenance mémoire
Si les fondations superficielles existent depuis que l’Homme a décidé de construire, l’histoire des fondations dans des « mauvais sols » est plus révélatrice des évolutions. Dès le Néolithique, les premières civilisations lacustres ont eu besoin de pilotis en bois sans aucun doute battus à la force humaine. Les premières traces écrites de l’utilisation des pieux en bois dans les constructions sont datées de l’époque romaine. Le développement des techniques de reconnaissance des sols et des machines de battage ont permis aux romains de construire de nombreux ouvrages sur ce type de pieux, dont seuls des vestiges des fondations sont parvenus jusqu’à nous. Au cours des siècles qui ont succédé à la chute de l’Empire romain, les pieux en bois ont été largement utilisés en France dans les constructions d’ouvrages; la France possède un patrimoine très riche de bâtiments et d’ouvrages d’art routiers et ferroviaires fondés sur des pieux en bois, parmi lesquels beaucoup sont classés monuments historiques : citons le château de Chambord, le Grand Palais à Paris, le pont de Pierre à Bordeaux ou la place Stanislas à Nancy.
Malgré un important parc français d’ouvrages bâtis sur des pieux en bois, le retour d’expérience sur la portance résiduelle et l’état de dégradation de ces ouvrages est faible et non capitalisé. Le choc vécu lors de l’effondrement du pont Wilson à Tours en 1978 (Figure 1) suite à la dégradation et à l’affouillement des pieux de fondation ne fût pas réellement suivi d’un développement d’expertise durable sur les désordres propres à ces ouvrages et sur les solutions de confortement à mettre en œuvre pour assurer leur pérennité.
Dans le contexte urbain moderne où des rabattements de nappe sont réalisés de manière inconsidérée ou involontaire (conséquence des sècheresses successives), l’apparition de zones de marnage (caractérisées par des cycles de sècheresse et d’humidité) conduit à la dégradation fongique du bois de fondation des bâtiments des centres urbains anciens, des monuments historiques ou des ouvrages de franchissement routiers ou ferroviaires. Le bois pouvant être également attaqué par des insectes, des termites ou des mollusques (notamment les tarets), il semble essentiel de mettre en place des protections efficaces sur les pieux en bois afin de limiter ces attaques et leur dégradation fongique. L’abandon des pieux en bois dans les constructions en France remonte au milieu du 19ème siècle et est donc antérieur de plus d’un siècle au développement du pressiomètre par L. Ménard dans les années 1950. Les résultats de ces essais constituent aujourd’hui la base du dimensionnement des fondations profondes en France. L’absence d’un cadre réglementaire français relatif à cette technologie de pieux ne permet pas d’asseoir le dimensionnement des fondations en bois d’ouvrages et de bâtiments dans la pratique actuelle. L’utilisation des pieux en bois sur le territoire français est actuellement limitée à des ouvrages côtiers et maritimes, à la construction de passerelles piétonnes ou de belvédères. Les pieux peuvent également servir de protection d’ouvrages contre les phénomènes d’affouillement. L’absence d’un « contexte normatif français » relatif à ce type de pieux ne permet pas non plus d’évaluer précisément la portance résiduelle des pieux en bois sous un ouvrage ancien ; et par conséquent de réduire le coût des travaux lors de la reprise en sous-œuvre des fondations en limitant le nombre de micropieux. Contrairement à l’abandon de cette technique en France depuis plus d’un siècle, de nombreux pays étrangers comme les Pays-Bas et les Etats-Unis ont largement utilisé les pieux en bois jusqu’à ces dernières années. Ils ont mis en place un cadre réglementaire et ont défini des dispositions constructives pour répondre aux enjeux liés à la durabilité et au comportement mécanique des pieux en bois battus dans le sol.
Généralités sur le matériau bois et les pilots
Le bois est un matériau naturel présentant des propriétés mécaniques et de durabilité variables. Ce matériau, largement exploité dans le monde entier, constitue une matière première pour de nombreuses branches industrielles, comme par exemple l’industrie du papier ou la construction. La filière bois désigne la chaîne des acteurs intervenant dans la production du bois, sa transformation et sa commercialisation.
Le matériau bois – essences, propriétés mécaniques et durabilité
Bois feuillus et bois résineux
Le bois est un matériau issu de l’activité biologique de l’arbre. La coupe transversale d’un tronc d’arbre (résineux ou feuillu) fait apparaître cinq parties différentes :
• L’écorce, composée de cellules mortes ;
• Le liber, dont la majorité des cellules qui le compose est également morte ;
• Le cambium, qui constitue la partie du tronc dans laquelle se produit la croissance radiale ;
• L’aubier, composé de cellules vivantes en voie de « duraminisation ». Les cellules de l’aubier transportent la sève brute des racines aux feuilles ;
• Le duramen (ou bois parfait), composé de cellules mortes qui ont terminé leur évolution.
Les 3000 espèces de végétaux ligneux identifiées dans le monde sont réparties en deux classes de bois différentes, les résineux et les feuillus, dont les propriétés structurelles diffèrent :
• Le bois des feuillus est constitué de différents types de cellules (trachéides et cellules parenchymes), de vaisseaux particuliers assurant la conduction de la sève brute et de fibres ligneuses composées de cellules mortes donnant au bois sa résistance. Les vaisseaux sont principalement orientés dans la direction longitudinale de l’arbre. Ceux orientés radialement constituent les rayons ligneux et assurent trois fonctions principales : la conduction radiale de la sève, le soutien de la tige et le stockage de substances chimiques (Barbe et Keller, 1996). Les feuillus les plus connus sont le chêne, le hêtre, le châtaignier et le peuplier ;
• A l’inverse des feuillus, les résineux présentent une organisation simple et uniforme. Ils sont constitués de deux types de cellules : les trachéides et les cellules parenchymes. Le transport vertical de la sève brute et le soutien vertical de l’arbre sont assurés par les trachéides, tandis que les cellules parenchymes permettent l’emmagasinement et la répartition des substances chimiques (Barbe et Keller, 1996). Les résineux, constitués à 90 % de trachéides, contiennent également des rayons ligneux. Les résineux les plus connus sont le sapin, l’épicéa, le douglas, le pin maritime et le pin des landes.
Les forêts en France et dans le monde
Cartographie des forêts et essences de bois françaises
Selon une campagne réalisée par l’IGN (Institut national de l’information géographique et forestière) entre 2005 et 2009 [1], la forêt en France métropolitaine couvre aujourd’hui environ 16 millions d’hectares (dont 15,3 millions d’hectares de forêt de production), ce qui représente un petit tiers du territoire. Elle ne recouvrait, en 1830, que 8 millions d’hectares. La France arrive au cinquième rang des pays européens en matière de surface forestière, derrière la Russie, la Finlande (avec respectivement 29 et 22 millions d’hectares), la Suède et l’Espagne (16 millions d’hectares). Elle possède néanmoins la première forêt de feuillus d’Europe, avec un peu plus de 10,3 millions d’hectares.
75 % des forêts métropolitaines françaises relèvent du domaine privé, 15 % sont gérées par les collectivités territoriales et 10 % appartiennent au domaine de l’Etat. Contrairement aux autres pays européens, la forêt française présente une très grande diversité d’essences. En 2011, le MAAF (Ministère de l’Agriculture, de l’Agroalimentaire et de la Forêt) a recensé sur le territoire 136 essences forestières, dont une trentaine couramment exploitée pour valoriser la filière bois [1]. Selon l’IGN, 27 % des forêts françaises sont constituées de chênes, 11 % de hêtres et 22 % de pins. Les feuillus en représentent 66 % et les résineux 34 % (INIGF, 2012) .
Les campagnes de prélèvement de bois menées par l’INIGF au cours des dernières années ont permis d’établir avec précision les caractéristiques forestières (volumes de bois mort et vivant) de chaque région, ainsi que la répartition des essences sur le territoire. Cette campagne d’études est venue compléter celle réalisée par l’INRA en 1995 .
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I. Généralités sur le matériau bois et les pilots
Introduction
1 Le matériau bois – essences, propriétés mécaniques et durabilité
1.1 Bois feuillus et bois résineux
1.2 Les forêts en France et dans le monde
1.2.1 Cartographie des forêts et essences de bois françaises
1.2.2 Les forêts en Europe et dans le monde
1.3 La filière bois en France et à l’étranger
1.3.1 Classification française des essences
1.3.2 L’état actuel de la filière bois et l’emploi des pieux en bois en France
1.3.3 L’emploi des pieux en bois dans les pays étrangers
1.3.4 Les pieux en bois, une alternative environnementale aux autres technologies de pieux
1.4 Comportement mécanique du bois
1.4.1 Hétérogénéité et anisotropie du bois
1.4.2 Comportement élastique du bois
1.4.3 Propriétés mécaniques du bois
1.5 Durabilité du bois
1.5.1 Dégradation biologique du bois
1.5.2 Classes de risque et de durabilité du bois
1.5.3 Imprégnabilité et traitements des bois
2 Les pieux en bois – caractéristiques géométriques et battage
2.1 Caractéristiques géométriques des pieux
2.1.1 Diamètre et longueur des pieux
2.1.2 Conicité des pieux
2.1.3 Géométrie des pieux en fonction de leur utilisation
2.2 Battage des pieux en bois dans le sol
2.2.1 Géologie des terrains adaptée au battage des pieux en bois
2.2.2 Les machines de battage
2.2.3 Transmission d’énergie de la masse frappante au pieu
2.2.4 Nature des contraintes et propagation de l’onde de choc dans le pieu
2.2.5 Limitation des contraintes induites dans le pieu
Conclusion
Chapitre II. Etat de l’art des méthodes de construction des fondations sur des pieux en bois et méthodologie d’analyse des ouvrages
Introduction
1 Evolution des méthodes de construction des fondations
1.1 Les méthodes de construction des fondations à l’époque préromaine
1.2 Les méthodes de construction des fondations à l’époque romaine
1.2.1 Les méthodes de construction des fondations sur pieux
1.2.2 Les vestiges des ponts romains en France
1.3 Les méthodes de construction des fondations à l’époque du Moyen-Âge
1.4 Les méthodes de construction des fondations à la Renaissance
1.5 Les méthodes de construction des fondations à l’époque moderne
1.5.1 L’harmonisation des méthodes de construction au 17ème siècle
1.5.2 Le développement des méthodes de construction au 18ème siècle
1.5.3 Les ponts routiers construits au cours de l’époque moderne
1.6 Les méthodes de construction des fondations à l’époque industrielle
1.6.1 L’emploi du béton dans les fondations profondes
1.6.2 L’abandon du platelage et grillage dans les fondations
1.6.3 Les ponts routiers construits au cours de l’époque industrielle
1.6.4 L’abandon progressif des pieux en bois
1.7 Synthèse
1.7.1 Les ponts français construits sur des pieux en bois
1.7.2 Les fondations des ponts
2 Désordres et renforcement des fondations des ouvrages
2.1 Les désordres relevés sur les ouvrages
2.1.1 Désordres des ponts situés dans les bassins de la Loire et de la Garonne
2.1.2 Action du cours d’eau sur l’ensemble de l’ouvrage
2.1.3 Actions du cours d’eau localisée au voisinage de l’ouvrage
2.1.4 Origines des désordres observés sur les ouvrages fondés sur pieux bois
2.2 Méthodes de renforcement des fondations des ouvrages sur pieux bois
3 Guide d’inspection des fondations en bois des ouvrages
3.1 Présentation du guide d’inspection des fondations
3.1.1 Fouille et classification du sol
3.1.2 Géométrie de la fondation
3.1.3 Qualité du béton et de la maçonnerie
3.1.4 Tests de poinçonnement à l’aiguille et prélèvements d’échantillons
3.2 Application du protocole à un cas pratique : le viaduc des cent arches
3.2.1 Présentation du viaduc et de la zone de travail
3.2.2 Phasage des travaux
3.2.3 Résultats et analyses des mesures
Conclusion
Chapitre III. Caractérisation de l’interface matériau-sol par des essais de cisaillement en laboratoire
Introduction
1 Synthèse bibliographique
1.1 Caractérisation de l’interface matériau-sol
1.1.1 Nature des interactions à l’interface
1.1.2 Adhérence et angle de frottement à l’interface
1.1.3 Rupture à l’interface matériau-sol et critère de Mohr-Coulomb
1.2 Facteurs influençant les propriétés de résistance du sol et de l’interface matériau-sol
1.2.1 Etat de surface du matériau
1.2.2 Teneur en eau des sols fins
1.3 Rapport entre l’angle de frottement d’interface δ et l’angle de frottement interne du sol φ
1.4 Lois de comportement d’interface
1.4.1 Lois de comportement « quasi-linéaires » et non linéaires
1.4.2 Exemples de lois de comportement d’interface
2 Protocole expérimental
2.1 Caractérisation du sol
2.1.1 Classification du sol selon la norme NF P 11-300
2.1.2 Propriétés intrinsèques du limon
2.1.3 Indices des vides et contraintes de préconsolidation
2.2 Caractérisation des matériaux
2.2.1 Types de matériaux
2.2.2 Dimensions des matériaux
2.2.3 Rugosité des matériaux
2.3 Conditions d’essais
2.3.1 Teneurs en eau du limon
2.3.2 Poids volumique sec initial du limon
2.3.3 Contraintes de chargement σp
2.3.4 Contraintes normales σn
2.3.5 Vitesse de cisaillement
2.4 Essais de cisaillement du limon
2.4.1 Présentation de la boîte de cisaillement normalisée
2.4.2 Réalisation des essais de cisaillement
2.5 Essais de cisaillement matériau-sol
2.5.1 Modifications apportées à la boîte de cisaillement
2.5.2 Réalisation des essais de cisaillement
3 Résultats et interprétations
3.1 Cisaillement du limon
3.1.1 Angle de frottement et cohésion du limon non remanié
3.1.2 Effet de la teneur en eau du limon sur ses propriétés de résistance
3.2 Cisaillement des matériaux et du limon
3.2.1 Critère de Mohr-Coulomb à l’interface matériau-limon
3.2.2 Effet de la rugosité des matériaux sur les propriétés de résistance de d’interface
3.2.3 Effet de la teneur en eau du limon sur les propriétés de résistance d’interface
3.3 Valeurs des ratios δ/φ
4 Loi de mobilisation de la contrainte de cisaillement à l’interface entre les matériaux et le limon
4.1 Etude du ratio τmax,interface/σn
4.1.1 Evolution du ratio τinterface/σn en fonction de δl
4.1.2 Plages de valeurs des ratios τmax,interface/σn relatifs aux différents matériaux
4.2 Etude de deux lois de comportement
4.2.1 Expressions et représentations graphiques des lois
4.2.2 Etude de la loi de comportement exponentielle
4.2.3 Etude de la loi de comportement trilinéaire
Conclusion générale
