Un bon dimensionnement d’une fondation superficielle nécessite une bonne caractérisation du sol sur lequel elle reposera. Pour le cas des sols granulaires, les essais de reconnaissances destructifs (SPT, CPT, etc.) impliquent la conversion des profils obtenus du sol exploré en un profil de rigidité afin de pouvoir estimer sa portance. Une telle tâche peut induire des erreurs au niveau de l’estimation étant donné qu’elle nécessite le passage d’un nombre de paramètres (N, qc) n’illustrant pas l’état réel du sol (rigidité) à des paramètres caractérisant sa performance (module élastique, coefficient de Poisson). La caractérisation des sols granulaires en utilisant la vitesse des ondes de cisaillement (non destructive) nous permet de contourner ce problème étant donné qu’elle nous donne directement la variation d’un paramètre intrinsèque au sol (Vs) à partir duquel il est possible d’effectuer le dimensionnement. La disponibilité d’une technique de mesure de vitesses de cisaillement (P-RAT) sur des échantillons de sols au laboratoire géotechnique de l’UdeS, nous a permis de mettre en œuvre l’application de Vs dans l’estimation de la portance des sols granulaires. Au cours de ce mémoire, une procédure servant à estimer le tassement des fondations superficielles reposant sur des dépôts granulaires est présenté. Les paramètres de cisaillement (Vs, G) d’un sable déterminés à l’aide des essais de caractérisation (P-RAT) ont été utilisés pour construire un modèle numérique de fondation. La consistance des résultats numériques du modèle a été confirmée à travers des essais de chargement de plaque. Ce travail montre donc l’importance des paramètres de cisaillement dans la modélisation d’une application fréquente en géotechnique. Il constitue un départ considérable pour la construction de relations constitutives basées sur le paramètre vitesse de cisaillement.

Dans le domaine du génie parasismique, l'Interaction du Sol avec la Structure (ISS) est un phénomène important à considérer pour espérer rendre compte du comportement réel d'une structure et donc évaluer sa vulnérabilité. Ce travail présente la construction d'un élément d'interface 3D modélisant une fondation superficielle de forme circulaire, rectangulaire ou filante reposant sur un massif de sol semi infini et permettant de prendre en compte l'ISS en considérant les non-linéarités matérielles (la plasticité du sol) et les non-linéarités géométriques (le décollement de la fondation). Basé sur la méthode des macro-éléments, cet élément permet de travailler en variables globales (forces et déplacements) et comporte 5 degrés de libertés. Tous les éléments du torseur d'effort appliqués à la fondation sont présents excepté le moment de torsion qui n'est pas pris en compte. Cette description globale permet ainsi de simplifier le modèle en minimisant d'une part la préparation des données et du maillage et d'autre part les temps de calculs. Les nonlinéarités sont traitées grâce aux théories classiques de plasticité et peuvent ainsi être couplées de manière simple selon la théorie des multi-mécanismes. Une description mathématique de chaque mécanisme est proposée. Le macro-élément est implémenté dans FedeasLab, un code élément finis développé dans Matlab. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux d'une fondation soumise à des chargements cycliques, ainsi que dynamiques mais aussi des simulations modélisant des ouvrages d'arts (bâtiment, pont...) montrent le bon fonctionnement du macro-élément 3D d'ISS. Enfin, l'efficacité et la robustesse de ce genre d'outils permettent de faire des analyses paramétriques faisant évoluer plusieurs paramètres de sols qui seront présentées à l'issue de cette thèse.

Ce mémoire montre la construction de modèles de calcul, pour l'étude de la capacité portante des fondations superficielles soumises à des sollicitations sismiques. La première partie examine la règlementation française (Règles PSG9) et ses évolutions (Recommandations AFPS90), dans le-domaine de la protection parasismique. A partir des données sismologiques et géotechniques concernant le site particulier de Mexico, le second chapitre fournit les paramètres sismiques de la modélisalion. La troisième partie propose le remplacement des effets dynamiques du séisme par des efforts pseudo-statiques équivalents à l'utilisation de l'Analyse Limite, pour déterminer les chargements de rupture, en supposant un comportement rigide-plastique du sol. Les différentes approches sont rappelées ici. La quatrième partie présente les résultats obtenus par les trois méthodes suivantes: une approche statique élastique, un calcul utilisant des lignes de rupture circulaires, un calcul cinématique faisant intervenir une méthode de résolution par éléments finis. L'influence des paramètres de dimension des modèles (L,H,B) est particulièrement mise en évidence. Enfin, une cinquième partie est consacrée au calcul du déplacement permanent résultant d'une secousse sismique. Deux lypes de méthodes sont présentés, supposant toutes un comportement rigide-plastique les premières ne considèrent, comme effet du séisme, qu'une surcharge temporaire au niveau de l'ouvrage, les dernières déterminent le déplacement, à partir d'un accélérogramme artificiel et de coefficients sismiques appliqués à l'ensemble sol-fondation.

Si le problème de la capacité portante d'une fondation superficielle posée sur un massif plan semi-infini est aujourd'hui bien maîtrisé, il n'en est plus de même dès que l'on s'éloigne de cette configuration de référence. Ce travail s'attache donc à étudier à l'aide de la théorie du calcul à la rupture, la réduction de la capacité portante de la fondation superficielle soumise à différents modes de chargement, due notamment à la proximité d'une pente ou une excavation. L'étude est abordée dans un premier temps, dans le cadre d'une approche bidimensionnelle du problème (cas de la semelle filante), puis dans une seconde partie, une analyse tridimensionnelle est menée (fondation rectangulaire). Une confrontation des résultats obtenus avec ceux établis par des travaux expérimentaux permet une validation de l'étude et conduit à une réflexion sur la construction du critère de résistance du matériau constitutif du massif, et notamment sur sa forme dans le domaine des faibles contraintes de compression.

Le renforcement des sols en zone sismique par des colonnes ballastées et/ou des inclusions rigides représente une alternative prometteuse et de plus en plus répandue par rapport aux solutions lourdes de fondations sur pieux. On sait que les pieux subissent, du fait de leur rigidité, des moments très importants au niveau de la liaison chevêtre-pieu. Les inclusions rigides surmontées d'un matelas granulaire permettent de mieux dissiper les efforts inertiels transmis par la superstructure, mais peuvent nécessiter des armatures si ce matelas n'est pas suffisamment épais. On peut penser que la colonne à module mixte (CMM) offre une solution combinant l'effet " matelas " à travers sa partie supérieure en colonne ballastée plus flexible et l'effet stabilisateur de la colonne inférieure. Cette thèse présente dans une première partie l'étude expérimentale réalisée au Laboratoire 3S-R (Grenoble) sur des modèles réduits à l'échelle 1/10 afin d'analyser la réponse de ces systèmes sous différentes charges statiques et dynamiques. Le modèle physique se compose d'une semelle carrée reposant directement sur l'argile renforcée. Le chargement vertical et horizontal, statique et dynamique est appliqué par l'intermédiaire de la fondation. Une instrumentation a été placée au niveau de la semelle pour obtenir la réponse globale du système, ainsi que dans la partie rigide inférieure du modèle pour évaluer la répartition des efforts entre inclusion et partie flexible supérieure. Une attention toute particulière a été donnée à la simulation de l'effet inertiel d'un séisme. Les profils de moments, d'efforts tranchants et de déplacements en fonction de la profondeur déterminés à partir de 20 extensomètres répartis régulièrement sur toute la hauteur de la partie rigide ont permis d'étudier l'influence de la hauteur de la colonne ou du matelas. La comparaison entre les déplacements dynamiques de la semelle et les courbes P-y (pression latérale P fonction du déplacement latéral y de la tête de pieu), permet de quantifier la dissipation de l'énergie dans les différentes parties du système. Les résultats expérimentaux montrent que la partie supérieure souple absorbe l'essentiel de l'énergie inertielle sismique. Une modélisation numérique 3D confirme les tendances observées expérimentalement et souligne l'importance du rôle de la zone de transition entre partie souple et partie rigide.

A l'opposé du dimensionnement de fondations d'ouvrages sur les sols, régi par des règles de calcul validées, le dimensionnement de fondations au rocher est mal maîtrisé. Jusqu'à présent, ceci n'a pas posé de problème majeur, car le dimensionnement de fondations se trouvait plutôt limité par la résistance du béton que par celle du massif rocheux. Mais la construction d'ouvrages d'art de plus en plus majestueux nécessite aujourd'hui une meilleure connaissance de ce domaine de la mécanique des roches. La première partie recense les méthodes les mieux adaptées pour déterminer la déformabilité et la résistance d'un massif rocheux. Elle présente les différentes méthodes de dimensionnement de fondations superficielle et semi-profonde au rocher. Enfin, elle analyse les textes réglementaires français et étrangers. Il existe peu de méthodes de dimensionnement de fondations qui tiennent compte du caractère discontinu des massifs rocheux ; le cas de fondations soumises à des efforts latéraux et à des moments renversants n'est quasiment pas traité. La deuxième partie consiste en l'analyse numérique du comportement de fondations superficielle et semi-profonde sur massif rocheux à l'aide du code de calcul par éléments distincts UDEC. Les résultats montrent que les discontinuités du massif rocheux ont un rôle primordial sur le comportement sous effort incliné de fondations semi-profondes. Selon leur pendage, les discontinuités peuvent diminuer considérablement la charge limite admissible. Quelques modèles analytiques simples à peu de blocs sont ensuite proposés, afin d'estimer - pour un dimensionnement préliminaire - la charge limite de rupture d'un puits marocain sous effort latéral. Les résultats numériques obtenus sont bidimensionnels; les résultats tridimensionnels peuvent être estimés à l'aide de coefficients de transfert 2D/3D, qu'il serait intéressant de vérifier à l'aide d'un code de calcul par éléments distincts tridimensionnel. Enfin, il serait nécessaire de valider les résultats de modélisation numérique sur un site réel.

Le renforcement des sols en zone sismique par des colonnes ballastées et/ou des inclusions rigides représente une alternative prometteuse et de plus en plus répandue par rapport aux solutions lourdes de fondations sur pieux. On sait que les pieux subissent, du fait de leur rigidité, des moments très importants au niveau de la liaison chevêtre-pieu. Les inclusions rigides surmontées d'un matelas granulaire permettent de mieux dissiper les efforts inertiels transmis par la superstructure, mais peuvent nécessiter des armatures si ce matelas n'est pas suffisamment épais. On peut penser que la colonne à module mixte (CMM) offre une solution combinant l'effet « matelas » à travers sa partie supérieure en colonne ballastée plus flexible et l'effet stabilisateur de la colonne inférieure. Cette thèse présente dans une première partie l'étude expérimentale réalisée au Laboratoire 3S-R (Grenoble) sur des modèles réduits à l'échelle 1/10 afin d'analyser la réponse de ces systèmes sous différentes charges statiques et dynamiques. Le modèle physique se compose d'une semelle carrée reposant directement sur l'argile renforcée. Le chargement vertical et horizontal, statique et dynamique est appliqué par l'intermédiaire de la fondation. Une instrumentation a été placée au niveau de la semelle pour obtenir la réponse globale du système, ainsi que dans la partie rigide inférieure du modèle pour évaluer la répartition des efforts entre inclusion et partie flexible supérieure. Une attention toute particulière a été donnée à la simulation de l'effet inertiel d'un séisme. Les profils de moments, d'efforts tranchants et de déplacements en fonction de la profondeur déterminés à partir de 20 extensomètres répartis régulièrement sur toute la hauteur de la partie rigide ont permis d'étudier l'influence de la hauteur de la colonne ou du matelas. La comparaison entre les déplacements dynamiques de la semelle et les courbes P-y (pression latérale P fonction du déplacement latéral y de la tête de pieu), permet de quantifier la dissipation de l'énergie dans les différentes parties du système. Les résultats expérimentaux montrent que la partie supérieure souple absorbe l'essentiel de l'énergie inertielle sismique. Une modélisation numérique 3D confirme les tendances observées expérimentalement et souligne l'importance du rôle de la zone de transition entre partie souple et partie rigide. / Along with the increasing need of construction land, numerous soil reinforcement technologies are proposed in order to improve the soil mechanical properties on one hand and overall site response on the other hand. The presented study is carried out in the context of seismic soil reinforcement and its interaction with a shallow footing which undergoes inertial loading. The system is studied mainly through physical modelling when reduced scale models are constructed in order to simulate clay reinforcement, which is composed of a rigid lower part associated to a flexible upper part. The soft upper part offers shear and moment capacity and the rigid lower part gives bearing capacity. In order to design the reinforcement elements, the response of this combined system to different static and dynamic loads must be understood. This thesis presents results from a primarily experimental study performed in Laboratoire 3S-R (Grenoble). Two reduced (1/10) physical models consisting of a group of four rigid inclusions associated to an upper flexible part are studied in clay. Combined vertical and horizontal static and dynamic loading is applied with a shallow foundation model. A parametric study is done, varying the height of the flexible part of the models in order to define its effect on the settlements of the foundation and lateral performance of the rigid inclusion. A special emphasis was given to the study of the inertial effects of seismic type loading. For this purpose, one of the rigid inclusions was instrumented with 20 levels strain gauges measuring flexural strain, used to calculate the bending moment along the pile. This gives pile deflection (y) by double integration and soil reaction (P) by double derivation. P-y curves are thus obtained. The analysis of the dynamic deflection of the rigid inclusion compared to the movement of the foundation allowed an estimation of the energy dissipated. The results indicate that a large amount of the seismic energy is dissipated within the upper flexible part of the models. Even though the scaling laws are not strictly respected, the main objective of the physical modelling was to perform a qualitative study of the soil reinforcement, studying its behaviour under inertial loading and pointing out important mechanisms, which should be taken into account by the current practice.

L'objectif de ce travail est d'analyser l'influence du renforcement du sol par la method Soil Mixing sur le comportement des fondations superficielles et profondes. Une étude numérique a été effectuée – avec des analyses éléments finis dans ABAQUS - dans le but d'acquérir une compréhension du fonctionnement et une estimation de la performance des fondations améliorées. Pour être en mesure d'utiliser des colonnes SM pour l'amélioration de la fondation, il est nécessaire de bien comprendre leur performance sous charge axiale statique. Par conséquent, une série de simulations reproduisant des essais de chargement d'une seule colonne, et d’un groupe de colonnes ont été réalisées. Les essais à pleine et petite échelle ont été modélisés et leurs résultats comparés avec les observations expérimentales. Un bon accord entre les prédictions numériques et les mesures confirme une bonne calibration des lois constitutives des sols, des colonnes et de l’interface sol/colonne en SM. En outre, cette étude a révélé que la colonne SM agit d'une manière similaire à un pieu en béton, son comportement est régi principalement par l'interface. Ensuite, la modélisation numérique d’une fondation superficielle à petite échelle a été menée. Deux types de renforcement ont été étudiés. Le premier consiste en une seule colonne, située au centre sous la semelle analysée. Le second cas correspond à un groupe de quatre colonnes SM. Deux densités de sol ont été analysés. L'objectif de la modélisation est d'identifier l'efficacité du renforcement en termes de capacité portante de la fondation et de la réduction de son déplacement vertical. Il a été trouvé que la densité du sable a un impact significatif sur le comportement de la semelle. La variation de densité a entraîné une différence significative entre les forces totales portées par les fondations. Mais, il a été constaté que le pourcentage de la force reprise par le sol par rapport à la force total, est indépendant de la densité. L'influence du renforcement obtenu par un groupe de colonnes SM sur une fondation profonde, a été étudiée. La modélisation numérique d'un seul pieu théorique installé dans le sol homogène, a été réalisée. L'objectif de l'étude est de détecter l'impact de divers paramètres, tels que la distance horizontale entre les colonnes de SM, la distance verticale entre les têtes de colonnes et la pointe de pieu, le diamètre et la longueur des éléments SM, sur la capacité portante de la fondation. On a montré que la distance entre les colonnes et leur diamètre ont la plus grande influence sur la force de charge, la longueur de renforcement conduit à une moindre influence. / The aim of this work is to analyse the influence of soil reinforcement executed by the Soil Mixing method on the behaviour of shallow and deep foundations. Numerical investigation has been carried out - with the use of Finite Element (FE) analyses in ABAQUS - in an attempt to identify the mechanisms guiding the performance of supported foundations. To be able to use SM columns as the foundation’s improvement, it is necessary to fully understand their performance under applied static, axial load. Therefore, a set of simulations reproducing loading tests of single and group of columns have been carried out. Full and small scale tests have been modelled and their results compared with experimental observations. Good agreement between numerical predictions and measurements, confirms proper calibration of the chosen constitutive laws of: soils, columns and interactions between them. Moreover, this study has revealed that the SM column acts in a similar way to concrete pile, hence its behaviour is governed mainly by the interface. Afterwards, numerical modelling of small scale shallow foundation has been accomplished. Two kinds of reinforcement have been investigated. The first one consists of a single column situated centrally under the analysed footing. The second kind of improvement involves group of four SM columns. Two densities of soil have been analysed. The goal of the modelling is to identify the efficiency of the reinforcement in terms of: bearing capacity of the foundation and reduction of its vertical displacement. Despite significant difference between total forces borne by the foundation tested on soil with different densities, it has been found that the percentage of the total force that was taken by the soil is density independent. The influence of reinforcement executed by group of SM columns on a deep foundation has been studied. Numerical modelling of a theoretical, single pile, installed in homogeneous soil, has been carried out. The aim of the investigation is to detect the impact of parameters such as: pattern of reinforcing elements, horizontal distance between SM columns, vertical distance between columns’ heads and tip of the pile, diameter and length of SM elements, on the bearing capacity of the foundation. It has been found that the distance between columns and their diameter has the biggest influence on the borne force. However, the length of the reinforcement has shown the least significant influence.

Le renforcement des fondations par soil mixing consiste à créer dans le sol des colonnes à module mixte obtenues en mélangeant le sol sur place avec un liant hydraulique. Ces colonnes, qui possèdent des caractéristiques mécaniques entre celles du béton et celles du sol, permettent d’améliorer la portance du sol d’assise et réduire les tassements excessifs des structures surjacentes. Ce travail de recherche consiste en une étude du comportement des fondations superficielles renforcées par des colonnes de soil mixing. Il vise à mettre en exergue les améliorations que cette technique apporte en termes d’augmentation de la capacité portante et de réduction des tassements. Dans une première étape, un matériau de soil mixing est formulé à partir d’un sable d’Hostun et d’un ciment CEM III. Une étude préalable a été réalisée pour déterminer les caractéristiques mécaniques de ce matériau de soil mixing, du sable d’Hostun, ainsi que les propriétés d’interface sable d’Hostun - soil mixing. Dans une seconde étape, une cuve expérimentale a été conçue pour permettre la réalisation de la procédure expérimentale du renforcement du sable par des colonnes de soil mixing. Plusieurs configurations du modèle physique ont été testées: Il s’agit d’essais de chargement sur fondations superficielles reposant sur un massif renforcé ou non. La taille de la semelle, le nombre des colonnes de renforcement, leurs âges, la densité de sol ainsi que le type de renforcement (renforcement type fondation mixte ou inclusion rigide) sont des paramètres dont l’effet a été étudié. Les essais de caractérisation, la conception du modèle expérimentale ainsi que les essais de chargement réalisés ont permis de mieux comprendre le comportement du sol renforcé. La connaissance des paramètres géomecaniques du sol et du matériau de soil mixing a permis de comprendre l’évolution de la capacité portante des semelles en présence des colonnes de renforcement. La présence d’un horizon porteur dans lequel les colonnes sont encastrées fait augmenter significativement la capacité portante de la semelle. Dans le cas du renforcement type inclusions rigides, l’augmentation de l’épaisseur du matelas granulaire réduit la capacité portante de la semelle renforcée. Cependant, elle fait augmenter la contribution des colonnes de renforcement dans la reprise des efforts appliqués sur la semelle. Une confrontation a été réalisée entre les résultats expérimentaux des essais de chargement et les résultats provenant d’un modèle éléments finis mis en œuvre avec le logiciel Abaqus. Les paramètres utilisés proviennent de nos essais de caractérisation réalisés dans le cadre de cette étude. Le modèle a présenté des résultats satisfaisant et a réussi de reproduire le comportement physique des semelles renforcées. Le modèle n’a non seulement réussi à reproduire les essais de chargement à l’échelle d’une colonne, mais aussi à l’échelle des semelles renforcées par une seule colonne et par quatre colonnes. / The reinforcement of shallow foundations by soil mixing consists on mixing the soil beneath with a hydraulic binder in order to obtain columns with mixed modulus. These columns, which have mechanical properties bounded between those of concrete and those of soil, can improve the soil bearing capacity and reduce excessive settlements as well. This research work is a phenomenological and quantitative study of the behavior of shallow foundations reinforced by soil mixing columns. It leads to analyze and highlight improvements that this technology brings in terms of bearing capacity increase and settlement reduction. In a first step, a soil mixing material is formulated from Hostun sand and cement CEM III. A preliminary study is conducted to determine the mechanical characteristics of the soil mixing material, Hostun sand and sand – soil mixing interface. In a second step, an experimental tank is designed to allow the installation of 1 m3 of hostun sand under different density. The experimental procedure allows also the installation of soil mixing columns that reinforce the soil. Finally a device is installed in order to carry on loading tests. Different configurations of the physical model were tested. Loading tests are carried on soil mixing columns and on unreinforced and reinforced shallow foundations. Size of the foundation, number of reinforcing columns, their age, soil density and type of reinforcement (rigid inclusion or mixed foundation) are parameters we change during this study. The characterization tests, the design of the experimental model, and the loading tests helped us to better understand the behavior of the reinforced soil. The knowledge of geomechanical parameters of soil and soil mixing material allowed us to understand the evolution of the bearing capacity of the reinforced foundations. The presence of a carrier horizon, in which the tip columns is embedded, leads to significantly increase the bearing capacity of the foundation. In the rigid inclusions reinforcement case, the increasing of granular mattress thickness reduces the bearing capacity of the reinforced foundation. However, it increases the part of the loading transmitted to soil mixing columns. A comparison was made between the experimental results of loading tests and the results of a finite element model implemented with Abaqus software. Model parameters are taken from our material characterization study. It is proven that the model developed is able to reproduce not only loading tests at column scale, but alsot at reinforced foundations scale.

La conception des ouvrages en Génie Civil se fait habituellement de manière semi-probabiliste en employant des valeurs caractéristiques auxquelles sont associées des facteurs partiels de sécurité. Toutefois, de telles approches ne permettent pas de garantir la robustesse de l’ouvrage conçu vis-à-vis des sources d’incertitudes susceptibles d’affecter ses performances au cours de sa réalisation et de son fonctionnement. Nous proposons dans ce mémoire une méthodologie d’aide à la décision pour la conception robuste des ouvrages qui est appliquée à une structure métallique reposant sur des fondations superficielles. La conception de cet ouvrage est conduite en intégrant le phénomène d’interaction sol-structure qui implique que les choix de conception faits sur la fondation influencent ceux faits sur la structure supportée (et réciproquement). La démarche de conception proposée fait appel à des outils d’optimisation multi-objectif et d’aide à la décision afin d’obtenir une solution qui offre le meilleur compromis entre l’ensemble des préférences énoncées par le décideur sur chaque critère de conception. Des analyses de sensibilité sont menées parallèlement dans le but d’identifier et de quantifier les sources d’incertitude les plus influentes sur la variabilité des performances de l’ouvrage. Ces sources d’incertitude représentées sous une forme probabiliste sont intégrées dans la procédure de conception et propagées à l’aide d’une méthode d’échantillonnage par hypercube latin. Une partie du mémoire est consacrée à l’analyse des effets de l’incertitude relative à la modélisation des paramètres géotechniques sur la réponse de l’ouvrage et sur la démarche plus globale d’optimisation. / Design in Civil Engineering is usually performed in a semi-probabilistic way using characteristic values which are associated with partial safety factors. However, this approach doesn’t guarantee the structure robustness with regard to uncertainties that could affect its performance during construction and operation. In this thesis, we propose a decision aid methodology for robust design of steel frame on spread foundations. Soil-structure interaction is taken into consideration in the design process implying that the design choices on foundations influence the design choices on steel frame (and vice versa). The proposed design approach uses multi-objective optimization and decision aid methods in order to obtain the best solution with respect to the decision-maker’s preferences on each criterion. Furthermore, sensitivity analyzes are performed in order to identify and quantify the most influencing uncertainty sources on variability of the structure performances. These uncertainties are modeled as random variables and propagated in the design process using latin hypercube sampling. A part of this dissertation is devoted to the effects of uncertainties involved in soil properties on the structure responses and on the design global approach.