fouilles en milieu urbain
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Fouilles en Milieu UrbainTRANSCRIPT
LES FOUILLES EN MILIEU URBAIN
1 LE PRINCIPE DE L'INSTABILITE D'UNE FOUILLE...................................................2
1.1 LA PRESSION HYDROSTATIQUE..........................................................................................2 1.1.1 L'état du sol "au repos"...............................................................................................................................2 1.1.2 La réalisation de la fouille, ou la rupture de l'équilibre..............................................................................2 1.1.3 Composante de la résistance du terrain......................................................................................................3
2 STRATEGIE DE RENFORT................................................................................................3
2.1 Le concept de berlinoise................................................................................................................3
2.2 Dimensions courantes d'une paroi berlinoise..............................................................................4
2.3 Prix courant...................................................................................................................................4
2.4 Reprise des efforts horizontaux....................................................................................................4
2.5 Le concept de paroi moulée..........................................................................................................9
2.6 Dimensions courantes d'une paroi moulée..................................................................................9
2.7 Prix courants..................................................................................................................................9
2.8 Reprise des efforts horizontaux....................................................................................................9
2.9 Fonction de fondations de la paroi moulée................................................................................10
2.10 Liaisons planchers paroi et voiles paroi. ................................................................................10
2.11 Remarques sur les avantages et inconvénients du butonnage et du tirantage......................10
2.12 Cas particulier de l'instabilité du fond de fouille....................................................................10 2.12.1 Principe...................................................................................................................................................10 2.12.2 Effet de l'eau – Phénomène de renard.....................................................................................................11 2.12.3 Parade......................................................................................................................................................11
3 INTERACTION ENTRE LE BATIMENT ET LA FOUILLE .........................................11
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1 LE PRINCIPE DE L'INSTABILITE D'UNE FOUILLE
1.1 LA PRESSION HYDROSTATIQUE
1.1.1 L'état du sol "au repos"
État de contrainte du sol à une profondeur donnée sans force extérieure.
Dans un milieu considéré comme homogène (cas d'école) cet état est dépendant de 2
facteurs :
Le poids volumique des terres
La profondeur à laquelle on se trouve
La contrainte croit de façon linéaire avec la profondeur et est de la forme Pv x h.
Elle s'exprime donc en MPa.
On distingue une contrainte orientée verticalement (s'exerçant sur des faces horizontales)
et une contrainte orientée horizontalement (s'exerçant sur des faces verticales).
Dans les sols, la contrainte est différente entre les deux directions principales. Le rapport
entre les deux valeurs est appelé coefficient de poussée du sol au repos.
Ce coefficient varie entre 0,5 (pour des argiles normalement consolidées) et 1 (pour les
argiles molles et les vases. Pour les sables, ce coefficient vaut 1sinPhi (soit environ 1
sin20 # 0,66).
Exemple : Un grain de terrain situé à 10 m de profondeur dans un sol pesant de poids
volumique égal à 2000 daN/m³ est soumis à une contrainte de
10 x 2000 = 20 000 daN/m² soit 0,2 MPa.
1.1.2 La réalisation de la fouille, ou la rupture de l'équilibre
Lorsque l'on ouvre une fouille dans un massif, on supprime une partie de l'action du poids
des terres. On déséquilibre le système précédent.
Au droit d'un point quelconque de la paroi de la fouille, l''action du poids des terres (qui se
traduit par l'existence d'un tenseur de contrainte en tout point du massif avec trois
composantes correspondant à l'action du poids des terres surincombantes) s'exerce sans
contrepartie du coté excavé. Le terrain est donc sollicité sous une forme proche de la
traction.
Remarque : Dans tous les cas, la présence d'eau aggrave les phénomènes d'instabilité. Elle
a une action de déjaugeage des sols, et d'entraînement des grains par la force de courant.
On ne développera par ici ces points, mais il faut les garder présents à l'esprit.
L'ouverture d'une fouille dans un massif se traduit donc automatiquement par l'apparition
d'une situation de déséquilibre.
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Pour ordre de grandeur, si on reprend le point d'étude cité plus haut (10m dans un massif
pesant 2 000 daN/m³) et que l'on considère un coefficient de poussée de 0,6, on obtient une
poussée horizontale de 2 000x10x0,6=12 000 daN/m² de paroi de fouille.
Les risques sont essentiellement de deux ordres :
Éboulement des parois de la fouille
Affaissement des avoisinants.
Dans les deux cas, les désordres sont catastrophiques pour le déroulement du chantier.
Il convient donc de gérer cette composante technique très en amont dans le cadre de la
conception du projet.
1.1.3 Composante de la résistance du terrain
La caractéristique du sol qui permet de résister partiellement au déséquilibre constaté est la
cohésion du sol. Celleci s'oppose à l'écartement deux à deux des "grains" formant le
matériau sol. Elle agit comme un « collage » des grains de terrain.
Certains sols sont pourvus d'un bonne cohésion (sol rocheux notamment). D'autres
montrent une cohésion à court terme et susceptible de disparaître rapidement, voire
traîtreusement (argiles et marnes). Enfin, certains sols sont totalement dépourvus de
cohésion (sables, limons..).
De toute façon, en dehors de certains cas très particulier, on ne peut pas compter à long
terme sur la cohésion du sol pour assurer la stabilité d'une fouille.
2 STRATEGIE DE RENFORTIl convient de mettre en œuvre un ouvrage qui s'oppose à l'action de la poussée des terres.
Il pourra s'agir d'une paroi stabilisée par des butons disposés coté fouille, ou d'une paroi
stabilisée par des tirants réalisés dans les tréfonds voisins.
2.1 Le concept de berlinoise
La berlinoise est une paroi de contention des terres, réalisée à l'avancement des
terrassements et constituée de la manière suivante :
Depuis la plateforme d'origine, réalisation de forages de gros diamètre espacés de 2 m
environ.
Ces forages sont poursuivis audelà de la cote de fond de terrassement à réaliser.
Mise en place de profilés métalliques (H) dans les forages.
Décaissement de la plateforme sur une première hauteur (en général 2 à 3m).
Mise en œuvre d'une armature (treillis soudés) entre les profilés H.
Bétonnage de la hauteur armée. Le bétonnage s'effectue par projection. Le béton
projeté (voie sèche ou voie humide) présente d'excellentes caractéristiques mécaniques
due à l'effet de compactage induit par le mode de mise en œuvre.
Mise en œuvre d'un dispositif de retenue (butons ou tirants).
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Décaissement de la passe suivante et répétition des tâches de création du voile enterré.
Lorsque l'on parvient à la cote de fond de terrassement pour le dernier plancher bas du
soussol, la paroi est arrêtée. Les profilés métalliques se poursuivent sur une faible
longueur dans le terrain.
2.2 Dimensions courantes d'une paroi berlinoise
Le dimensionnement d'une paroi berlinoise est assez complexe. Des entreprises sont
spécialisées dans la réalisation de ces ouvrages et elles assurent ellesmêmes les calculs
nécessaires.
Les dimensions courantes sont :
Profilés : H de 200mm
Épaisseur totale de la paroi : 30 à 35cm.
Distance entre lits de dispositifs de retenue : 3 m.
Irrégularités en plan : 10cm.
Irrégularités en élévation : 10cm.
Remarque : Les dimensions de la paroi et des machines nécessaires à sa réalisation
autorisent l'emploi de cette technique pour des chantiers de taille relativement
réduite.
2.3 Prix courant
Le prix d'une berlinoise varie de façon très importante en fonction des facteurs de mise en
œuvre (difficultés d'accès, importance des poussées, nature des terrains, type d'ouvrage en
projet....).
En première approche, on peut considérer un prix de l'ordre de 500 à 800€/m² de paroi.
Pour un projet de 25x15m d'emprise au sol avec deux niveaux de soussol de 3m, cela
amène un budget pour la paroi compris entre 240 000 et 384 000€.
On comprend que ce poste doit être intégré aux études lors du calcul de faisabilité
économique du projet.
2.4 Reprise des efforts horizontaux
On a vu que les efforts horizontaux sont très importants (plusieurs tonnes par m²).
Dans la partie à faible profondeur de la paroi, ces efforts demeurent limités et peuvent être
repris par le simple encastrement des profilés dans le terrain sousjacent (rappelons que
ceuxci sont mis en œuvre préalablement au début du décaissement).
Dès que l'on dépasse quelques mètres, les moments engendrés par la poussée des terres
sur la paroi deviennent trop importants pour être équilibrés par l'encastrement.
Il convient de mettre en œuvre un système capable de contrer ces actions.
Deux dispositifs sont possibles :
Les tirants, qui mobilisent une réaction des tréfonds voisins.
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Les butons, qui mobilise une réaction en prenant appui à l'intérieur de la fouille.
Les deux dispositifs sont efficaces mais, suivant l'environnement technique et juridique,
ils ne peuvent pas forcement être mis en œuvre.
2.4.1 Les Tirants
Principe :
Le tirant est un ouvrage capable de transmettre et de diffuser un effort de traction dans
le cœur du massif de terre. Il peutêtre actif ou passif suivant qu'on lui applique ou non
une précontrainte.
Constitution :
Forage subhorizontal (ou fortement incliné) diamètre entre 100 et 200 mm.
Armature par tube, barre de précontrainte (diwidag) à haute limite élastique, ou câble.
Injection au coulis de ciment.
Mise en tension pour les tirants précontraints afin de « plaquer » la berlinoise sur le
front de terrassement et obtenir un effet de maintien du confinement dans le massif.
Plaque d'appui en tête avec éventuellement des liernes pour répartir la pression.
Mise en œuvre :
En général, on réalise les tirants après réalisation de la paroi béton.
Les forages sont réalisés au moyen de machine autorisant le forage à l'horizontale.
Les forages traversent le voile en béton armé et sont poursuivis en profondeur des
tréfonds avoisinants. Ils sont souvent munis de tubage, notamment à proximité de la
bouche de forage.
Une fois la zone d'ancrage atteinte, l'armature est introduite dans le forage (on
travaille parfois avec des tiges de forage perdues qui servent d'armature.
Le tirant est injecté avec contrôle des pressions d'injection en fonction des zones.
Ainsi, le tirant est solidaire des tréfonds et offre, après séchage du coulis, une
capacité de résistance à la traction fonction de la nature des sols d'ancrage, des
caractéristiques de l'injection et de la longueur d'ancrage.
La tête du tirant est munie, soit d'une plaque d'appui avec dispositif d'adaptation
angulaire, soit d'une lierne. Les liernes unissent en général au moins deux ancrages
et répartissent les efforts de traction sur une grande surface du voile béton.
Tirants passifs / Tirants actifs
Lorsque le tirant, une fois scellé est simplement muni de son dispositif de tête serré
au contact du voile béton, on parle de tirant passif. Dans ce cadre, la traction dans le
tirant n'interviendra que si la paroi accuse un mouvement induisant la mise en tension
du tirant et permettant la mobilisation de la réaction au niveau du scellement dans le
massif.
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Autrement dit, pour le tirant passif « travaille », il faut qu'il y ait un mouvement de la
paroi, et, de facto, une décompression du massif arrière par diminution du
confinement (diminution de la butée).
Ce mouvement est souvent inacceptable pour les avoisinants (constructions
notamment). On réserve la solution de tirants passifs à des chantiers de protection de
fouilles sans problématique de maintien de constructions mitoyennes ou voisines
proches.
Au contraire, dans le cas du tirant actif, une fois les opérations de scellement
achevées et le coulis séché, on imprime à l'armature, un effort de traction important.
La tension effective est mesurée avec des dynamomètres. Une fois la tension
recherchée atteinte, on bloque l'armature au moyen d'un dispositif de tête (souvent
appelé « bouton »). Afin de faciliter la mise en oeuvre de cette prétension, les tirants
actifs sont le plus souvent armé avec des câbles.
Entre la partie scellée (zone d'ancrage et de mobilisation de la réaction du terrain) et
la paroi tirantée, le câble est en général laissé libre dans une gaine de protection
remplie de graisse ou de goudron. Ce système permet des interventions ultérieures
pour effectuer par exemple des reprises de tension dans le câble en cours de
chantier.
Le dispositif de tête est en appui sur le voile béton auquel il communique une action
dirigée vers le massif. Le voile est ainsi « plaqué » sur le massif de terres. Il y a
création d'une pression sur la face verticale à l'arrière de la paroi berlinoise qui agit
de façon similaire à la pression des terres au repos que l'on a supprimée en réalisant
la fouille.
Ce dispositif permet de recréer en partie les conditions de confinement existantes
avant le début du chantier. Dans ce cadre, il ne doit pas y avoir de mouvements
(notamment de tassements) en arrière de la paroi berlinoise tirantée avec des tirants
actifs.
Le calcul de pression à exercer est l'affaire de spécialistes, même si des méthodes
relativement simples permettent de bonnes approximation (équilibre de Rankine).
Problèmes juridiques associés aux tirants.
Propriété des tréfonds
Les tréfonds voisins se trouvent audelà de la limite de propriété (puisqu'on se situe
par définition en limite). Nous ne sommes donc pas autorisé à y réaliser des
ouvrages. Hors, le principe de stabilisation par tirants nécessite la mobilisation du
massif en arrière de la paroi. Il est donc nécessaire de recueillir l'accord du
propriétaire voisin avant d'envisager la solution par tirantage.
Tirants provisoires
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Très fréquemment l'accord est obtenu dans le cadre de la mise en œuvre de tirants
provisoires. C'est à dire qu'une fois le chantier terminé, les tirants doivent être
désactivés et abandonnés afin qu'ils ne gênent pas la réalisation d'un futur chantier
sur la parcelle voisine.
Dans ce cadre, en cas d'emploi de tirants actifs, la tension dans les tirants doit être
totalement relâchée en fin d'opération de construction.
Reprise des efforts sur la structure
Dans le cadre de la mise en œuvre de tirants provisoires, il convient de prévoir un
dispositif de remplacement pour la reprise des efforts horizontaux lors du
relâchement.
Dans le cadre de la construction d'un bâtiment, le seul élément qui puisse servir est
la structure même du bâtiment.
Les éléments de structure utilisables sont les planchers et les murs de refends.
Le concepteur doit donc prévoir de recouper les pans de murs d'infrastructure par
des refends assez proches. La distance idéale dépend de nombreux facteurs propres
au projet. En première approche, on retiendra une distance de l'ordre de 7m entre
éléments de reprise des charges. Ces éléments peuvent être des voiles de refends
ou des écoinçons.
Lorsque que l'on se trouve dans une configuration de terrassements sur les quatre
cotés du bâtiment, on utilisera la structure du bâtiment pour mettre en opposition les
efforts appliqués aux parois opposées.
Dans le cas où la poussée des terres n'est à prendre que sur une partie des murs
d'infrastructure (cas d'implantation dans un versant), il convient de prévoir une
structure susceptible de rabattre les efforts de poussée horizontale vers la zone de
fondations par une succession de voiles refends correctement implanté dans les
étages d'infrastructure.
2.4.2 Les Butons
Principe :
Le buton est un ouvrage, en général métallique, capable d'encaisser les efforts
appliqués à une paroi et de les transmettre, à l'intérieur de l'aire du projet, à un élément
de réaction (en général un autre mur).
Constitution :
Tube ou profil métallique.
Travaille en compression sur des longueurs importantes => sollicitation au
flambement. => il faut des éléments présentant un fort rayon de giration, donc une
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section offrant de grandes dimensions. On prend en général des tubes de très gros
diamètre (600 mm...).
Platine à récupération angulaire aux deux extrémités avec plaque d'appui pour
répartir les efforts sur les parois butonnées.
Mise en compression par des dispositifs de cales mise en place en force.
Mise en œuvre :
On place les tirants, par niveau, dès réalisation de la paroi béton.
Leur mise en place nécessite des engins de levage conséquents (grue mobile)
puisque la grue à tour n'est en général pas édifiée dans cette phase de terrassement.
Retrait :
Par définition, les butons sont provisoires (ils encombre l'espace de construction).
Il sont enlevés au fur et à mesure de la mise en place des éléments de structure du
bâtiment (planchers et voile refends). Là encore, il faut prévoir les moyens de levage
nécessaires.
2.4.3 Fonction de fondation de la paroi
La paroi berlinoise peut être employée pour fonder les murs de l'édifice. Il convient de
prévoir la descente de charges dans les calculs de la paroi.
La paroi est toujours munie d'une poutre de couronnement en partie supérieure, juste à
l'interface entre superstructure et infrastructure. Cette poutre présente en général une
section de 50x30(h) cm et est fortement armée. Elle est destinée à rigidifier dans le plan
horizontal l'arase supérieure de la paroi et permet de reprendre les éventuels
excentrements entre le voile d'élévation et la paroi.
Les charges apportées par la construction et transmise à la poutre de couronnement de la
paroi transitent ensuite par les H métalliques et les voiles béton.
Au niveau de l'ancrage dans le sol sous le dernier plancher, les H (avec leur injection de
béton) peuvent être poursuivis sur la longueur nécessaire et travailler au frottement dans le
terrain d'assise.
2.4.4 Liaisons planchers paroi et voiles paroi.
La paroi berlinoise peut être employée pour appuyer les planchers de soussol.
Pour cela, le ferraillage de la paroi inclut des dispositifs de liaison en attente (des « start »),
qui sont dépliés une fois la paroi achevée et qui permettent la liaison avec les ouvrages de
structure à solidariser avec la paroi.
Lorsque la mise en place de start n'est pas possible, on procède au scellement de barres
en attentes dans la paroi. Ces barres sont ensuite reprises dans les ouvrages à solidariser
et forment une continuite de ferraillage par recouvrement avec les planchers et les voiles.
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2.5 Le concept de paroi moulée
La paroi moulée est un écran réalisé entièrement directement dans le sol avant
décaissement. Les techniques employées sont de même type que pour la réalisation des
barrettes vues durant le cours sur les fondations profondes.
Depuis la plateforme d'origine, réalisation de fouilles à la benne preneuse suivant un
phasage en « touche de piano ».
Ces fouilles sont poursuivis audelà de la cote de fond de terrassement à réaliser.
Elles sont stabilisées par de la boue bentonitique (effet de tixotropie).
Mise en place de cages d'armatures dans les fouilles.
Bétonage des fouilles au tube plongeur.
Passage à la série suivante jusqu'à la réalisation complète de la paroi (formant un mur
d'infrastructure fermé. A ce stade, le terrassement de la fouille du bâtiment n'est pas
commencée.
Terrassement de la fouille du bâtiment.
Mise en œuvre d'un dispositif de retenue (butons ou tirants) à l'avancement des
terrassements si nécessaire.
2.6 Dimensions courantes d'une paroi moulée
Le dimensionnement d'une paroi moulée est aussi affaire de spécialistes. Les entreprises
produisent leurs propres études. Elles assurent ellesmêmes les calculs nécessaires.
Les dimensions courantes sont :
Épaisseur totale de la paroi : de 60 à 100 ~ 120 cm (fonction du matériel).
Longueurs des passes : 2,5 m (fonction du matériel).
Remarque : Compte tenu de ces dimensions, on comprend que la technique de paroi
moulée est assez rarement employée sur les chantiers exiguës.
2.7 Prix courants
Une paroi moulée est toujours un ouvrage particulier. Il est difficile de parler de prix courant.
Les couts de mise en place du chantier sont considérables. En première approximation, on
peut évoquer des prix de l'ordre de 1000€/m², mais, j'insiste, cela n'a guère de valeur et ces
ouvrages font, plus que tout autre, l'objet d'un chiffrage par devis pour chaque affaire.
2.8 Reprise des efforts horizontaux
De même que pour la paroi berlinoise, les efforts horizontaux sont très importants (plusieurs
tonnes par m²).
La massivité relative de la paroi moulée permet d'encaisser des efforts horizontaux plus
important que pour la paroi berlinoise sans dispositifs de reprise particuliers. Toutefois cette
capacité est limitée et très rapidement, l'obligation de traiter la reprise des efforts
horizontaux apparaît.
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Comme pour la berlinoise, les deux dispositifs classiques de butons ou de tirants sont
possibles :
Compte tenu des dimension d'une paroi moulée, on emploie plutôt les butons.
Toutefois, des stabilisations par tirants sont tout à fait possibles et courantes.
Les problématiques juridiques sont strictement identiques à celles soulevées lors du
paragraphe sur les berlinoises. On s'y reportera.
2.9 Fonction de fondations de la paroi moulée
Compte tenu de la largeur de l'élément, la paroi moulée peut être employée pour fonder les
murs de l'édifice.
2.10 Liaisons planchers paroi et voiles paroi.
La paroi moulée peut être employée pour appuyer les planchers de soussol.
Pour cela, on procède au scellement de barres en attentes dans la paroi après dégagement
de celleci dans la phase de terrassement. Ces barres sont ensuite reprises dans les
ouvrages à solidariser et forment une continuité de ferraillage par recouvrement avec les
planchers et les voiles.
2.11 Remarques sur les avantages et inconvénients du butonnage et du tirantage
Butonnage :
Encombrement de la fouille.
Ouvrage souvent lourds et encombrants et limités dans les possibilités de mise en
oeuvre dans les grandes fouilles.
Pas d'interaction avec l'extérieur (chantier indépendant).
Coût relativement faible.
Nécessité de présence de moyen de levage sur le chantier (PPM).
Tirantage :
Fouille entièrement dégagée pour la confection du bâtiment.
Peut se mettre en place à l'avancement en sécurité (pied de passe).
Possibilité de faire du tirant actif assurant une meilleure contention des terres.
Problème juridique souvent complexe en milieu urbain.
Coût élevé.
2.12 Cas particulier de l'instabilité du fond de fouille
2.12.1 Principe
La surface du fond de fouille est également soumise à cette pression hydrostatique rendue
dissymétrique par l'excavation.
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Le fond de fouille est donc le siège d'efforts plus ou moins verticaux dirigés vers le haut.
Il peut arriver que le sol se soulève sous l'effet de cette action. Dans le cadre de fouilles très
profondes, cette action est prépondérante et peut provoquer des phénomènes d'instabilité
de terrain aux conséquences parfois catastrophiques.
2.12.2 Effet de l'eau – Phénomène de renard
L'eau joue un rôle de fragilisation des équilibres des fouilles.
Elle a un effet lubrifiant en minimisant les effets de frottement entre grains de terrain ce qui
se traduit par un abaissement de l'angle de frottement interne.
Par ailleurs, lors de l'ouverture d'une fouille profonde, il est possible que le fond de fouille se
trouve sous le niveau d'une nappe avoisinante ou simplement d'une circulation.
L'eau est alors « attirée » par le vide par simple effet de différence de perméabilité entre le
massif et l'excavation. En sourdant dans le fond de la fouille avec une certaine vitesse, l'eau
crée une pression de courant sur les grains et produit un effet de déjaugeage de ces grains
par effet d'Archimède.
On peut observer alors une perte totale de portance du sol de fond de fouille
avec soulèvement. C'est le phénomène de « renard », très redouté.
2.12.3 Parade
La parade la plus simple est de mettre en oeuvre sur le sol un ouvrage d'un poids suffisant
pour s'opposer au soulèvement. En général on épaissit le dallage du plancher bas du
dernier soussol ou le radier de fondation.
Lorsqu'il s'agit d'un dallage (rappel : le dallage simple est indépendant des murs),
l'épaississement ne joue que par l'augmentation du poids propre.
Lorsque l'on réalise un dallage agrafé ou, a fortiori, un radier, celuici, solidaire des murs,
peut travailler en plancher champignon et assurer par sa mise en flexion inverse, la reprise
de charges de soulèvement et les transmettre aux murs. On mobilise ainsi le poids propre
du bâtiment pour s'opposer aux forces de soulèvement.
Si cela ne suffit pas, on peut procéder au tirantage du radier par des éléments de type
micropieux mobilisant les tréfonds, verticalement sous le bâtiment afin de lutter contre l'effet
de la souspression.
3 INTERACTION ENTRE LE BATIMENT ET LA FOUILLE Comme on l'a vu plus haut, le bâtiment à créer dans la fouille peut être, et, d'une façon
générale, est utilisé pour équilibrer l'action de la poussée des terres.
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On utilisera notamment les planchers et les refends qui peuvent permettre de former une
sorte de maille en 3D indéformable assurant la transmission des efforts d'un coté à l'autre
de la fouille.
Il convient, dans ce type de stratégie, de concevoir l'organisation spatiale du bâtiment afin
de lui conférer les rigidités indispensables. Lorsque le projet impose des dispositions
particulières, les ouvrages de soutènements devront être dimensionnés en conséquence.
On veillera tout particulièrement à :
maintenir un réseau de refends denses le long des murs servant à la stabilité de la
fouille.
On évitera la réalisation de grandes trémies dans les planchers toujours à proximité de
ces murs sollicités.
Placer des planchers régulièrement pour recouper la hauteur libre de la paroi.
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