Les fondations

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - Décrire les principes constructifs des fondations en puits et des radiers. - Identifier les matériaux, les outils et les étapes de mise en œuvre adaptés au contexte camerounais. - Réaliser le dimensionnement simple d’un puits de fondation et d’un radier à partir des charges d’un bâtiment. - Appliquer les règles de sécurité et d’hygiène sur un chantier de fondations. **Prérequis** : Notions de résistance des matériaux (contraintes, déformations), lecture de plans d’exécution, connaissances de base en géotechnique (portance des sols, coefficients de frottement) et utilisation du niveau à bulle et du fil à plomb. --- ### Introduction contextualisée Dans les zones urbaines du Cameroun (Douala, Yaoundé, Bafoussam), la pression foncière oblige souvent à construire sur des sols meubles ou à faible portance. Les fondations en puits (ou puits bétonnés) permettent de transférer les charges vers des couches plus résistantes en profondeur, tandis que les radiers (fondations plates) répartissent la charge sur une large surface lorsqu’il n’est pas nécessaire d’atteindre des strata profonds. Maîtriser ces deux procédés est essentiel pour garantir la stabilité des ouvrages tout en maîtrisant les coûts et les délais de chantier. --- ## I. Fondations en puits ### 1. Définition et domaine d’emploi > Une fondation en puits est un élément vertical en béton armé, de diamètre généralement compris entre 0,60 m et 1,20 m, qui repose sur une couche de sol porteuse située à une profondeur pouvant dépasser 5 m. Elle est utilisée lorsque : - La portance du sol de surface est insuffisante (< 100 kPa). - Les charges verticales dépassent 150 kN par poteau. - La présence de nappes phréatiques peu profondes exclut les fouilles ouvertes. ### 2. Principes de fonctionnement Le puits travaille principalement en compression axiale. Le béton armé assure la résistance à la compression, tandis que l’armature longitudinale (ferraillage) prend les efforts de flexion dus aux éventuels moments de renversement. Le frottement entre le béton et le sol le long de la paroi contribue également à la capacité portante (adhérence). ### 3. Étapes de mise en œuvre (chantier type) 1. **Repérage et piquetage** : implantation du puits selon le plan d’exécution. 2. **Fouilles** : creusement à l’aide d’une tarière mécanique ou d’une pelle hydraulique jusqu’à la profondeur de fondation prévue. 3. **Nettoyage du fond** : enlèvement des débris et mise en place d’une couche de béton de propreté (épaisseur 5 cm) si le fond est rocheux. 4. **Pose du coffrage** : tubes métalliques ou coffrages perdus en PVC, maintenus par des entretoises. 5. **Ferraillage** : mise en place de l’armature longitudinale (8 à 12 mm) et des étriers (6 mm) espacés tous les 20 cm. 6. **Coulage du béton** : béton dosé à 350 kg/m³ (C25/30), vibré pour éliminer les bulles d’air. 7. **Décoffrage** : après 24 h minimum, retrait du coffrage et cure du béton (arrosage ou bâche plastique) pendant 7 jours. ### 4. Exemple chiffré de dimensionnement **Données** : - Charge verticale sur le poteau : P = 180 kN. - Portance admissible du sol à 6 m de profondeur : q_adm = 200 kPa. - Coefficient de frottement béton‑sol : f = 0,4. - Facteur de sécurité : γ = 1,5. **Calcul de la surface nécessaire** : \[ A_{req} = \frac{P \times \gamma}{q_{adm}} = \frac{180 \times 1,5}{200} = 1,35 \, \text{m}^2 \] On choisit un puits circulaire de diamètre D tel que : \[ A = \frac{\pi D^2}{4} \ge 1,35 \Rightarrow D \ge \sqrt{\frac{4 \times 1,35}{\pi}} = 1,31 \, \text{m} \] On adopte D = 1,40 m (standard). **Vérification du frottement** : Surface latérale : \(A_{lat}= \pi D H = \pi \times 1,40 \times 6,0 = 26,4 \, \text{m}^2\) Résistance par frottement : \(R_f = f \times \sigma_v' \times A_{lat}\) Avec une contrainte verticale effective moyenne \(\sigma_v' = 100 \, \text{kPa}\) (approximation), \(R_f = 0,4 \times 100 \times 26,4 = 1056 \, \text{kN}\) Cette valeur dépasse largement la charge, donc le puits est sûr en compression et en frottement. --- ## II. Radiers (fondations plates) ### 1. Définition et domaine d’emploi > Un radier est une dalle en béton armé, épaisse généralement entre 0,20 m et 0,40 m, qui repose directement sur le sol de répartition et supporte l’ensemble des charges d’un bâtiment. Il est privilégié lorsque : - La portance du sol est suffisante (> 150 kPa) et homogène sur toute l’emprise. - Les charges sont réparties sur une grande surface (bâtiments industriels, hangars, logements collectifs). - La nappe phréatique est élevée, rendant les fouilles profondes coûteuses ou risquées. ### 2. Principes de fonctionnement Le radier travaille principalement en flexion. La dalle répartit la charge sur le sol, réduisant ainsi la pression unitaire. L’armature inférieure (treillis soudé ou barres) résiste à la traction, tandis que l’armature supérieure limite la fissuration sous compression. ### 3. Étapes de mise en œuvre (atelier/chantier) 1. **Préparation du sol** : déblaiement, compactage à 95 % du Proctor, mise en place d’une couche de grave concassée (épaisseur 15 cm) si nécessaire. 2. **Pose d’un film polyéthylène** (épaisseur 0,2 mm) pour éviter la remontée d’humidité. 3. **Coffrage** : planches de bois ou panneaux métalliques, nivelés au laser ou au niveau à bulle. 4. **Ferraillage** : treillis soudé Ø 8 mm/150 mm ou barres Ø 10 mm espacées 20 cm dans les deux directions, recouvrement mínima 20 cm. 5. **Coulage du béton** : béton dosé à 300 kg/m³ (C20/25), vibré, lissage à la taloche. 6. **Cure** : bâchage ou arrosage pendant 7 jours, protection contre le gel et le soleil direct. ### 4. Exemple chiffré de dimensionnement **Données** : - Charge totale du bâtiment sur le radier : Q = 1200 kN. - Surface du radier : A = 30 m² (5 m × 6 m). - Portance admissible du sol : q_adm = 180 kPa. - Facteur de sécurité : γ = 1,5. **Pression exercée** : \[ p = \frac{Q \times \gamma}{A} = \frac{1200 \times 1,5}{30} = 60 \, \text{kPa} \] Comme \(p < q_{adm}\) (60 kPa < 180 kPa), le radier est admissible en compression. **Vérification de la flexion** (simplifiée) : Charge surfacique \(q = \dfrac{Q}{A}=40 \, \text{kN/m}^2\). Moment maximal approximatif pour une charge uniformément répartie (poutre simplement appuyée de portée \(L = 5 \, \text{m}\)) : \[ M_{max}= \frac{q L^2}{8}= \frac{40 \times 5^2}{8}=125 \, \text{kN·m} \] En prenant une hauteur utile d’acier \(d = 0,35 \, \text{m}\) (soit 350 mm) et une résistance à la traction de l’acier \(f_{yk}=500 \, \text{MPa}\), l’armature nécessaire est : \[ A_s = \frac{M_{max}}{0,87 f_{yk} d}= \frac{125 \times 10^6}{0,87 \times 500 \times 350}=821 \, \text{mm}^2 = 8,2 \, \text{cm}^2 \] On peut choisir un treillis soudé Ø 8 mm/150 mm (aire d’un barreau ≈ 0,50 cm²) placé dans les deux directions, ce qui donne \(2 \times \dfrac{0,50}{0,15}=6,7 \, \text{cm}^2\) par mètre de largeur. Pour atteindre les 8,2 cm², on ajoute deux barres Ø 10 mm (aire ≈ 0,79 cm² chacune) en partie inférieure, portant l’armature totale à environ \(6,7 + 2 \times 0,79 = 8,3 \, \text{cm}^2\), suffisante. --- ## III. Sécurité, hygiène et bonnes pratiques sur chantier ### 1. Risques spécifiques - **Effondrement de fouille** : prévenir par un talutage ou un étaisement dès 1,20 m de profondeur. - **Manipulation de béton frais** : risque de brûlures alcalines ; porter gants, lunettes et bottes imperméables. - **Chutes d’objets** : casque obligatoire dans la zone de travail. ### 2. Règles de sécurité à respecter > Le port du casque, des gants anti‑coupure, des lunettes de protection et des chaussures de sécurité avec embout acier est obligatoire sur tout chantier de fondations. > Toute excavation dépassant 1,5 m doit être soutenue par un étaisement ou un battage de planches, vérifié avant chaque reprise de travail. > Le béton doit être vibré immédiatement après le coulage pour éviter les poches d’air qui réduisent la résistance. > Après décoffrage, maintenir le béton humide (bâchage ou arrosage) pendant au moins 7 jours pour assurer une bonne cure. ### 3. Hygiène sur le chantier - Fournir des points d’eau potable et des lavabos pour le nettoyage des mains après manipulation du béton. - Interdire la consommation d’alcool ou de substances stupéfiantes sur le lieu de travail. - Prévoir une zone de repos à l’ombre avec des sièges et un accès à l’ombre pour éviter les coups de chaleur, particulièrement fréquents dans les régions du Nord‑Cameroun. --- ## Synthèse du chapitre - **Fondations en puits** : éléments verticaux en béton armé, utilisés quand la portance de surface est insuffisante ; dimensionnement basé sur la portance du sol et le frottement béton‑sol ; mise en œuvre : fouilles, coffrage, ferraillage, coulage, cure. - **Radiers** : dalles en béton armé répartissant la charge sur une large surface ; adaptés aux sols homogènes de bonne portance ; dimensionnement basé sur la pression unitaire et la flexion ; mise en œuvre : préparation du sol, film anti‑humidité, coffrage, ferraillage, coulage, cure. - **Sécurité** : port des EPP, étaisement des fouilles, vibration du béton, cure adéquate, hygiène (eau potable, interdiction d’alcool, zone de repos). - **Formules clés** : - Surface de fondation nécessaire : \(A_{req}= \dfrac{P \times \gamma}{q_{adm}}\) - Diamètre d’un puits circulaire : \(D = \sqrt{\dfrac{4 A_{req}}{\pi}}\) - Pression sous un radier : \(p = \dfrac{Q \times \gamma}{A}\) - Moment de flexion simplifié : \(M_{max}= \dfrac{q L^2}{8}\) --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Fondation en puits | Élément vertical en béton armé transférant les charges vers une couche de sol porteuse en profondeur. | | Radier | Dalle en béton armé répartissant les charges sur une large surface du sol de fondation. | | Portance admissible (q_adm) | Contrainte maximale que le sol peut supporter sans risque de rupture ou de déformation excessive. | | Frottement béton‑sol | Résistance au glissement le long de la paroi du puits, fonction de l’adhérence et de la contrainte normale. | | Coffrage | Moule temporaire qui donne la forme souhaitée au béton frais. | | Ferraillage | Armature en acier placée dans le béton pour résister à la traction et à la flexion. | | Cure | Processus de maintien de l’humidité du béton après coulage afin d’assurer son hydratation complète. | | Étaisement | Soutien temporaire d’une excavation pour prévenir son effondrement. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement d’un puits de fondation **Énoncé** : Un poteau supporte une charge verticale de 220 kN. Le sol à 5 m de profondeur présente une portance admissible de 180 kPa. Le coefficient de frottement béton‑sol est estimé à 0,35. Déterminer le diamètre minimal d’un puits en béton armé (facteur de sécurité γ = 1,5) et vérifier la contribution du frottement. **Corrigé** : 1. Surface nécessaire : \[ A_{req}= \frac{P \times \gamma}{q_{adm}} = \frac{220 \times 1,5}{180}=1,833 \, \text{m}^2 \] 2. Diamètre : \[ D = \sqrt{\frac{4 A_{req}}{\pi}} = \sqrt{\frac{4 \times 1,833}{\pi}} = 1,53 \, \text{m} \] On adopte D = 1,60 m (standard). 3. Vérification du frottement (hauteur H = 5 m) : Surface latérale \(A_{lat}= \pi D H = \pi \times 1,60 \times 5,0 = 25,13 \, \text{m}^2\) Contrainte verticale moyenne \(\sigma_v' \approx 120 \, \text{kPa}\) (approximation). Résistance par frottement \(R_f = f \sigma_v' A_{lat} = 0,35 \times 120 \times 25,13 = 1055 \, \text{kN}\) Cette valeur dépasse largement la charge (220 kN × 1,5 = 330 kN), donc le puits est sûr. ### Exercice 2 – Vérification d’un radier **Énoncé** : Un bâtiment industriel exerce une charge totale de 960 kN sur un radier de dimensions 4 m × 6 m. Le sol présente une portance admissible de 200 kPa. Le béton utilisé est C25/30 (fck = 25 MPa). Déterminer si le radier est admissible en compression et calculer l’armature minimale nécessaire pour résister à la flexion (moment maximal approximatif pour une charge uniformément répartie). **Corrigé** : 1. Surface du radier : \(A = 4 \times 6 = 24 \, \text{m}^2\) 2. Pression exercée : \[ p = \frac{Q \times \gamma}{A} = \frac{960 \times 1,5}{24}=60 \, \text{kPa} \] Comme \(p < q_{adm}\) (60 kPa < 200 kPa), le radier est admissible en compression. 3. Charge surfacique \(q = Q/A = 960/24 = 40 \, \text{kN/m}^2\) 4. Moment maximal (poutre simplement appuyée, portée L = 4 m) : \[ M_{max}= \frac{q L^2}{8}= \frac{40 \times 4^2}{8}=80 \, \text{kN·m} \] 5. Hauteur utile d’acier (on prend h = 0,25 m, recouvrement 0,025 m) : \(d = 0,225 \, \text{m}\) (soit 225 mm) 6. Armature nécessaire : \[ A_s = \frac{M_{max}}{0,87 f_{yk} d}= \frac{80 \times 10^6}{0,87 \times 500 \times 225}=817 \, \text{mm}^2 = 8,2 \, \text{cm}^2 \] On peut choisir un treillis soudé Ø 8 mm/150 mm (aire d’un barreau ≈ 0,50 cm²) placé dans les deux directions, ce qui donne \(2 \times \dfrac{0,50}{0,15}=6,7 \, \text{cm}^2\) par mètre de largeur. Pour atteindre les 8,2 cm², on ajoute deux barres Ø 10 mm (aire ≈ 0,79 cm² chacune) en partie inférieure, portant l’armature totale à environ \(6,7 + 2 \times 0,79 = 8,3 \, \text{cm}^2\), suffisante. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |------------------|-------------|--------------------------------------| | Oublier d’étaiement une fouille > 1,20 m | Risque d’effondrement pouvant blesser ou tuer des travailleurs | Installer un étaisement ou un battage dès le début de la fouille ; vérifier la stabilité avant chaque reprise de travail. | | Utiliser un béton sous‑dosé (moins de 300 kg/m³) pour un puits | Résistance à la compression insuffisante, fissures prématurées | Respecter le dosage prescrit (C25/30 pour les puits, C20/25 pour les radiers) et contrôler le dosage à la centrale ou sur chantier. | | Négliger la cure du béton après décoffrage | Réduction de la résistance à la traction et apparition de fissures de retrait | Maintenir le béton humide (bâchage, arrosage) pendant au moins 7 jours ; éviter l’exposition directe au soleil et au vent fort. | | Placer l’armature trop près de la surface du béton | Corrosion de l’acier due à l’humidité et aux chlorures, perte de résistance | Respecter les recouvrements minimaux (2 cm pour les fondations, 2,5 cm pour les dalles) et utiliser des cales en plastique ou en béton pour maintenir la position. | | Verser du béton par temps de pluie forte sans protection | Lessivage du ciment, hétérogénéité du mélange, faiblesse locale | Couvrir la zone de coulée avec des bâches imperméables ; reporter la coulée si les précipitations sont trop importantes. | | Ne pas porter de lunettes de protection lors du maniement du béton frais | Brûlures alcalines aux yeux, risque de perte de vision | Porter systématiquement des lunettes de protection anti‑projections et un masque si nécessaire lors du maniement du béton ou du ciment. |