Comment concevoir une fondation sur pieux?
Un profond fondation, comme un tas, est un élément structurel qui transmet les charges de la superstructure au substrat rocheux ou à une couche de sol plus résistante. API de rendu SkyCiv est un type de fondation qui peut être en acier, le béton, ou bois. En termes de coût, les coûts de fondation sur pieux sont plus élevés que les fondations peu profondes. Malgré son coût, les pieux sont souvent nécessaires à des fins de sécurité structurelle.
Quand pouvons-nous utiliser des piles?
Sols faibles
Si les couches supérieures du sol sont trop faibles ou très compressibles pour supporter les charges transmises par la superstructure, des pieux sont utilisés pour transférer ces charges dans une couche de sol plus solide ou sur un substrat rocheux. Les pieux qui transmettent des charges dans un substrat rocheux sont appelés pieux porteurs d'extrémité. Ce type de pieu dépend uniquement de la capacité de charge du matériau sous-jacent à l'extrémité du pieu. En revanche, lorsque le substrat rocheux est trop profond, les pieux peuvent transmettre les charges à travers le sol environnant progressivement par friction. Ce type de pieu est appelé pieu à friction.
Forces horizontales
Les pieux sont une fondation plus appropriée pour les structures soumises à des forces horizontales. Les pieux peuvent résister aux actions horizontales par flexion tout en étant capables de transmettre les forces verticales de la superstructure. Il s'agit d'une situation typique pour la conception de structures de soutènement de terre et de structures hautes soumises à des vents forts ou à des forces sismiques.
Sols expansifs ou pliables
Le gonflement ou le rétrécissement des sols peut ajouter une pression considérable sur la fondation. Il se produit sur des sols expansifs ou pliables en raison de l'augmentation ou de la diminution de la teneur en humidité. Cela peut également causer plus de dommages pour les fondations peu profondes; dans ce cas, les pieux peuvent être utilisés pour étendre la fondation au-delà de la zone active ou là où le gonflement et le rétrécissement peuvent se produire.
Forces de soulèvement
Les forces de soulèvement sont développées en raison des pressions hydrostatiques, activité sismique, moments de renversement, ou toute force pouvant entraîner l'extraction de la fondation du sol. Il est courant sur les structures telles que les tours de transmission, plateformes offshore, et sous-sols. Dans cette situation, on considère que la fondation sur pieux résiste à ces forces de soulèvement.
L'érosion du sol
L'érosion du sol à la surface du sol peut entraîner une perte de capacité portante du sol, ce qui peut gravement endommager les structures aux fondations peu profondes.
Comment estimer la longueur de la pile?
L'étude du sol joue un rôle important dans le choix du type de pieu et l'estimation de la longueur nécessaire du pieu. L'estimation de la longueur du pieu nécessite un bon jugement technique sur les données géotechniques du site. Il peut être classé en fonction du mécanisme de transfert de charge de la structure au sol: (a) pieux en bout. (b) pieux de friction, et (c) pieux de compactage.
Pieux porteurs
La capacité de charge ultime du pieu porteur en extrémité dépend de la capacité de charge du matériau sous-jacent à l'extrémité du pieu. La longueur nécessaire de ce type de pieu peut facilement être estimée en déterminant l'emplacement du substrat rocheux ou d'une couche solide de sol tant qu'elle est à une profondeur raisonnable.. Pour les cas où une strate dure est présente plutôt que le substratum rocheux, la longueur du pieu peut être prolongée de quelques mètres supplémentaires dans la couche de sol, comme le montre la figure 2b.
Pieux de friction
Pieux de friction (Figure 2c) sont utilisés lorsque la couche rocheuse ou la strate dure n’existent pas ou sont situées à une profondeur déraisonnable. Dans ce cas, l'utilisation de pieux en bout devient très longue et peu rentable. La capacité de charge ultime des pieux à friction est dérivée du frottement cutané développé sur la longueur du pieu et du sol environnant. La longueur des pieux de friction est relative à la résistance au cisaillement du sol, charge appliquée, et taille de pile.
Pieux de compactage
Les pieux de compactage sont un type de pieux qui sont enfoncés dans des sols granulaires pour obtenir un compactage approprié du sol près de la surface du sol. La longueur des pieux de compactage dépend principalement de la densité relative avant et après le compactage, et la profondeur de compactage requise. Les pieux de compactage sont généralement plus courts que les autres types de pieux.
Mécanisme de transfert de charge pour pieux
Considérons un pieu chargé de longueur L et de diamètre D, tel qu'illustré à la figure 2. La charge Q sur le pieu doit être résistée principalement par le sol au bas du pieu Qp., et en partie par frottement cutané développé le long de l'arbre Qs. En général, l' capacité de charge ultime (Qu) d'un pieu peut être représenté par la somme de la charge résistée à la pointe du pieu et de la charge résistée par frottement cutané, ou comme indiqué sur l'équation 1.
Qu = Qp + Qs (1)
Qu = Capacité de charge ultime
Qp = Capacité de charge en bout
Qs = Résistance au frottement cutané
Par contre, pour pieux en bout, la charge Q est principalement résistée par le sol sous la pointe du pieu et la résistance au frottement de la peau est minime. En revanche, la charge Q sur les pieux de friction n'est généralement résistée que par le frottement de la peau plutôt que par la capacité portante d'extrémité Qp. Les capacités de charge ultimes pour les pieux porteurs et les pieux à friction sont sur des équations 2 et 3, respectivement.
Qu ≈ Qp (2)
Qu ≈ Qs (3)
Comment concevons-nous les pieux?
La conception et l'analyse de fondations profondes telles que les pieux est en quelque sorte une forme d'art en raison de toutes les incertitudes impliquées dans l'interprétation des données géotechniques. Bien que de nombreuses approches théoriques et expérimentales aient été menées pour analyser le comportement et estimer la capacité portante des pieux dans divers types de sol, mais encore, nous avons encore beaucoup à comprendre sur le mécanisme de fondation sur pieux. Heureusement, avec l'avancement de l'ingénierie structurelle, il existe différents logiciels que nous pouvons utiliser pour minimiser ces incertitudes et réduire le temps de calcul.
Voici quelques-uns des processus que nous pouvons suivre pour concevoir une fondation sur pieux:
Données du rapport géotechnique
Comme discuté plus tôt, données de conception pré-fondation, comme le type de pile, longueur, et taille, sont prédéterminés sur la base des données du rapport géotechnique. Certains des paramètres critiques nécessaires à la conception et à l'analyse des fondations sur pieux sont les types de sol, unité de poids, résistance au cisaillement, module de réaction du sol, et données sur les eaux souterraines
Analyse structurelle
Les développements récents en ingénierie structurelle incluent un logiciel de conception structurelle qui vise à améliorer nos compétences en tant qu'ingénieurs structurels et à produire des conceptions sûres, surtout avec des structures complexes. Il existe différents logiciels FEA que nous pouvons utiliser pour modéliser nos structures et générer des réactions, forces de cisaillement, et moments de flexion des supports de la superstructure. Les données résultantes seront ensuite utilisées pour la conception et l'analyse des fondations.
Conception de la fondation
Similaire au logiciel FEA que nous avons utilisé pour analyser et générer des réactions de support de la superstructure, il existe également de nombreux logiciels de conception de fondations que nous pouvons utiliser pour concevoir des fondations sur pieux conformément à différents codes de conception. (Remarque: pour une calculatrice simplifiée, essayez notre gratuit calculatrice de semelle en béton).
Le logiciel de conception de fondations pour pieux nécessite diverses entrées pour effectuer des vérifications de conception. Il comprend des données de géométrie, profils de sol, propriétés des matériaux pour les armatures en béton et en acier, disposition des armatures, paramètres de conception spécifiés par les codes de conception, et les données de réaction exportées depuis le logiciel d'analyse structurelle.
Certaines des vérifications de conception standard effectuées pour la conception des fondations sur pieux:
Contrôle de la capacité géotechnique est terminé lorsque la capacité portante du sol est déterminée en divisant les charges verticales appliquées par la capacité de charge du sol. Le ratio ne doit pas dépasser une valeur de 1.0. Les pieux chargés latéralement sont également vérifiés en estimant les valeurs des charges latérales ultimes et admissibles.
Contrôles de la capacité structurelle sont effectuées en déterminant axiale, de cisaillement, et les capacités de flexion conformément au code de conception choisi. Bien que pour une fondation sur pieux, une défaillance géotechnique est plus susceptible de se produire qu'une défaillance structurelle, il est encore nécessaire d'effectuer ce contrôle des mesures de sécurité.
Optimisation
Un ingénieur en structure doit toujours donner la priorité à la sécurité lors de la conception de tout type de structure. Par contre, les ingénieurs peuvent également optimiser leur conception en expérimentant différentes tailles de pieux, et plans de renfort, entraînant une réduction de la quantité totale de matériaux et du coût global de la structure sans compromettre la sécurité tout en maintenant les normes minimales requises par le code.
Résumé
Le processus de conception des fondations sur pieux implique généralement une bonne interprétation des données géotechniques du site, modélisation et analyse de la superstructure via un logiciel FEA, générer des réactions de soutien, vérifications de la conception des fondations, et optimisation pour arriver à une conception sûre et économique.
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