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J.L. BRIAUD Professor and Holder of the Spencer J. Buchanan Chair Dpt. of Civil

J.L. BRIAUD Professor and Holder of the Spencer J. Buchanan Chair Dpt. of Civil Engineering Texas A&M University College Station Texas 77.843-3136 Etats-Unis briaud@tamu.edu I'{DLR: Les discussions sur cet article sont acceptées jusqu'au 1"'mars 2A04. l'qr IE l= | .t, l.Sl lÉ, Is there a scale and embedment effect for shallow foundations in sand 7 The scale and embedment effect on the load-settlement curve for a shallow foundation in sand are discussed. Some theoretical arguments and several load tests results are presented. They show the following. If the behavior of the shallow foundation is represented by the curve giving the average pressure under the foundation divided by a measure of the soil résistance within the foundation zone of influence as a function of the settiement divided by the foundation width, ail the curves obtained for different foundation sizes and different foundation embedments collapse into a narrow band for a given sand. The existence of such a narrow band is consistent with the load settlement curve method proposed by Briaud and Jeanjean (19g4). Key words; shailow foundations, sand, load test, ioad-settlement curve, scale effect, embedment effect. l+, IU tfo IL l{J I lrl l-o t< 15 REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE N. 105 4e trimestre 9003 Y a-t-il un effet de taille et d'encastrement pour les fondations superficielles dans les sables ? L'effet de la taille d'une fondation superficielle et I'effet de son encastrement sur la courbe donnant le déplacement en fonction de la charge sont l'objet de cet article. Des arguments théoriques et surtout des données expérimentales sont présentés. Ils indiquent la chose suivante. Si le comportement de la fondation est représenté par la courbe donnant la pression sous la fondation divisée par une mesure de la résistance du sol dans la zone influencée par la fondation en fonction du tassement divisé par la largeur de la fondation, toutes les courbes ainsi obtenues pour des fondations de taille et d'encastrement différents se regroupent dans une bande semée pour un sable donné. L'existence de cette bande serrée est en accord avec la méthode de la courbe charge-tassement proposée par Briaud et Jeanjean (1ee4). Mots-clés: fondations superficielles, sable, essai de chargement, courbe charge-déplacement, effet de taille, effet d'encastrement. lntroduction En 1994, à l'occasion de la conférence de I'ASCE intitulée ( Settlement '94>, Briaud et Jeanjean (1994) ont présenté les résultats d'essais de chargement sur cinq fondations superficielles reposant sur le sable du Site national de recherche en géotechnique à Texas A&M University. Ces fondations carrées de 1 m x 1 m, 1,5 m x 1,5 m, 2,5 mx 2,5m, 3 m x 3 m, et 3 m x 3 m étaient encastrées de 0,75 m au-dessous du niveau du sol naturel. Les résultats de ces essais subventionnés par la FHWA se trouvent dans les publications de Briaud et Gibbens (1994, 1997 ,1999). Briaud et Jeanjean ont montré que lorsque les résultats de ces cinq essais de chargement sont présentés sous la forme de pres- sion moyenne sous Ia fondation en fonction du tasse- ment divisé par la largeur de la fondation, les cinq courbes ainsi obtenues se regroupent dans une bande très serrée. Ils concluent qu'il n'y a pas d'effet de taille pour ces fondations et proposent une méthode pour prévoir la courbe charge-déplacement pour une fonda- tion superficielle reposant dans du sable. L'absence d'effet de taille fut l'objet d'un débat lors de la confé- rence. Un éminent ingénieur suggéra que I'absence apparente d'effet de taille était due à l'annulation de l'augmentation de pression due à l'augmentation de taille par la diminution d'encastrement relatif. Cet article est le résultat d'efforts supplémentaires pour élucider la question de l'effet de taille et d'encastrement sur le comportement des fondations superficielles dans les sables. Ce sujet a été étudié par beaucoup de chercheurs en commençant par Taylor en 1948. Ils ont tous proposé des explications variées et plus ou moins compliquées pour le fait que la théorie ne correspond pas complète- ment à la réalité particulièrement en ce qui concerne la capacité portante ultime. On note les explications liées à la non-linéarité de l'enveioppe de rupture (DeBeer, 1965; Ovesen, 1975; Graham et Hovan, 1.986; Hettler et Gudehus, 19BB; Kutter et al.,19BB; Bolton et Lau, 1989; Shiraishi, 1990; Perkins, 1995) liées à un mécanisme de rupture progressive (Muhs, 1963; Yamaguchi et al., 1976),liées à la dilatance des sols (Bolton, 1986), liées au rapport de la tailie de ia fondation à la taille des grains (steenfelt, 1977),liées à plusieurs facteurs (Corte, 1980; Habib, 1985; Kimura et al., 1985; Garnier, 1997 ; Perkins et Madson, 2000). Dans cet article, on présente une raison différente et très simple pour expliquer l'écart entre les observations expérimentales et la théo- rie. - indique que la capacité portante ultime augmente linéairement avec la largeur de la fondation. De mêffie, cette équation indique que la capacité portante ultime augmente linéairement avec l'encastrement. Trois des hypothèses de l'équation (1) sont que le sable est sec, qu'il a une valeur de 0' constante et une valeur de y constante. Le fait que le sable est sec et que y est constant conduit à une contrainte effective o qui augmente linéairement avec la profondeur. La résis- tance au cisaillement T, augmente donc avec la profon- deur (Fig . 1a) puisqu'elle s'écrit : xr = o' tanQ (2) RES}STANTt RËS}STANCE u :} ul û z ç LL () tr È Deux types de profil de résistance : (a) augmentation linéaire, (b) constant. Two types of resistance profiles: (a) linear increase, (b) constant. On peut donc s'attendre à ce que l'équation (1) donne de bonnes prévisions quand la résistance du sol augmente linéairement en fonction de la profondeur. Un profil de résistance au SPT, au CPT,, ou un profil de pression limite au PMT peuvent indiquer si cette aug- mentation linéaire en fonction de la profondeur est légitime ou non pour un site donné. Bien souvent près de la surface, où sont fondées les fondations superfi- cielles, les sols ne sont pas saturés et on a affaire à des profils où la résistance est pratiquement constante en fonction de la profondeur. Dans ce cas (Fig. 1b) on peut s'attendre à des difficultés de prévision quand on uti- lise l'équation (1) car les hypothèses ne correspondent pas à la réalité. On pourrait modifier l'équation (1) comme suit: Qu = o'o N, (3) où o'o est la contrainte effective movenne sous la fon- dation, ou même e,-rk (4) où r est une mesure de la résistance du sol (q., p,_, N) et k est un coefficient de capacité portante. C'est la solu- tion adoptée dans le cas de calcul direct à partir des essais in sifu. Dans ce sens, cette approche est supé- rieure à l'approche basée sur l'équation (1). Dans le cas de résistance constante, on peut donc aussi s'attendre à ce que la capacité portante n'augmente pas avec la grandeur de la fondation puisque la résistance du sol dans lazone mobilisée par la fondation reste constante. Cette discussion montre bien que le profil de résistance du sol a un impact direct sur l'effet de taille. On ima- gine de même que ce profil aura un impact semblable sur l'effet d'encastrement. (Y I-TJ C] z. o LL L& û- {b) (a) léquation 16 de capa cité, portante u lti me L'équation de capacité portante ultime pour une semelle filante dans un sol de caractéristiques c' et Q' uniforme s'exprime (Terzaghi et a1.,1996): eu = c'N. + O,5yBNn * yDNo (1) eu e, est la capacité portante ultime, c' est la cohésion effective, y le poids volumique effectif, B la largeur de la fondation, D l'encastrement, et N., N.n N^ sont les fac- teurs de capacité portante qui dé$endent"de l'angle de frottement effectif 0'. Pour un sable sans cohésion et une semelle filante sans encastrement, l'équation (1) REVUE FRANçAISE DE GEOTECHNIQUE N'105 4" trimestre 9003 E lléquation d' élastici té, La théorie de l'élasticité est souvent utilisée pour calculer le tassement d'une fondation suoerficielle reposant sur du sable. L'équation (e.g. Mayré et Poulos, 1999) s - (qB /E) (1- vt) IG IF IE 1.CI donne le tassement s en fonction de la pression q, du diamètre B de la fondation circulaire, du module d'Young E,, et du coefficient de Poisson v, ainsi que des facteurs IG, I' et I, caractérisant l'augmentation du module en fonction de la profondeur, de la flexibilité de la fondation, et de l'encastrement. Les abaques présen- tées par Mayne et Poulos donnant les valeurs de I" et Iu sont présentées sur les figures 2 et 3. Pour une fonda- tion rigide circulaire à la surface d'un sol ayant un module constant avec la profondeur, l'équation (5) devient : s = (qB /E) (1- vt) n/4 (5) (6) 1 1û 100 Module Normalisé de Gibson, $ = Ëol{krd} Facteur Ic pour l'influence du profil de module (d'après Mayne et Poulos, 1999). Influence factor I" for the modulus profile (after Mayne and Poulos, 1999). u t,5 Q.4 t.3 0,3, 0.1 t 510152t Rappor"t Encastrement - Diametre, D/B Facteur d'encastrement Iu uploads/Litterature/105-2-pdf.pdf