Motivations:
  • Le Génie Civil et le Génie Maritime sont des domaines dans lesquels les ouvrages et structures à concevoir, calculer et construire sont soumis à des actions que l’on peut qualifier de la manière la plus générale de « variables dans le temps ». Ces actions viennent s’ajouter aux actions permanentes (typiquement les forces de pesanteur).

    Les actions variables peuvent avoir une influence significative sur le comportement et la stabilité des ouvrages pendant toute leur durée de vie et entraîner, sur le moyen et le long terme, des pathologies et des désordres significatifs, pouvant aller jusqu’à des dysfonctionnements importants, voire à la rupture de l’ouvrage.

    L’industrie pétrolière a développé des procédures pour prendre en compte les effets des fortes houles sur les fondations des structures offshore. Elles sont explicitées dans des codes ou recommandations professionnelles (API RP2GEO, 2011; DnV Foundations, 1992 ; ISO 19901-4, 2003). L’industrie éolienne adapte progressivement ces procédures au cas des éoliennes offshore (DnV-OS-J101, 2011, 2014; BSH, 2007, 2011).

    Parallèlement et de manière surprenante, l’effet des sollicitations cycliques sur le comportement des fondations est largement ignoré dans le champ d’activité de la construction. Il existe quelques exceptions notoires comme l’étude de la liquéfaction des sols sous sollicitations sismiques, la fatigue des chaussées ou des remblais ferroviaires. Mais d’une manière générale, il n’y a pas - sur le plan national aussi bien qu’au niveau européen (CEN) ou international (ISO) - de document spécifique (norme, texte règlementaire, recommandation professionnelle) traitant explicitement des risques liés aux sollicitations cycliques et proposant une approche méthodologique pour les prendre en compte dans le dimensionnement des fondations.

    L’insuffisance des méthodes usuelles de dimensionnement des fondations est de plus en plus ressentie au moment où se développent les nouveaux types de structures ou infrastructures liées aux récents développements dans le domaine de l’énergie, du transport et du génie industriel.

    Les recommandations SOLCYP visent à  combler partiellement cette lacune technique et règlementaire, en proposant une approche méthodologique et des méthodes de calcul pour prendre en compte les effets des charges variables dans le dimensionnement des fondations sur pieux.

    Elles s’appuient sur des expérimentations en laboratoire et en vraie grandeur et des modélisations conduites dans le cadre du projet.

Présentation du projet:
  • Le programme de recherche et développement du projet SOLCYP a été mis au point dans le cadre des réflexions d’un groupe de travail émanant du Pôle de Compétence « Sols » de l’IREX, créé en 2003 et composé d’une dizaine d’experts. Il s’est concrétisé par la définition de deux volets complémentaires : un projet - dit ANR-SOLCYP -  qui a obtenu un financement auprès de l’Agence Nationale de la Recherche et le label du Pôle Génie Civil Ecoconstruction, et un projet - dit PN-SOLCYP - organisé sous forme de Projet National avec le soutien financier du ministère du développement durable (MEDDE). Le programme a été restreint au domaine des fondations sur pieux.

    Le projet SOLCYP s’est attaché à améliorer les connaissances sur le comportement des pieux de fondations soumis à des sollicitations cycliques et à proposer des procédures permettant la prise en compte de l’effet des cycles dans le dimensionnement des ouvrages de génie civil ou maritime.

    Une approche méthodologique et systématique a été développée de manière à parvenir à une compréhension approfondie des phénomènes physiques complexes régissant d’une part la réponse des sols aux sollicitations cycliques et d’autre part le comportement des pieux soumis à des sollicitations cycliques verticales ou horizontales.

    Sur ces bases essentiellement expérimentales, on s’est attaché à développer des procédures de dimensionnement et des méthodes d’ingénierie dont la complexité de mise en œuvre reste compatible avec la nature des ouvrages et la sévérité des chargements  cycliques.

    Le programme ANR-SOLCYP

    Le volet ANR du projet SOLCYP a démarré en Juin 2008. Initialement prévu pour une durée de 4 ans, il a été prolongé de 9 mois jusqu’à Mars 2013.

    Le projet a été mené en collaboration par 9 partenaires (non compris l’IREX). Il s’agit de 6 laboratoires de recherche et 3 sociétés à caractère industriel.

    Laboratoires ou Instituts de recherche :

    - GeM (Ecole Centrale de Nantes)

    - IFSTTAR (ex LCPC)

    - LGCgE (Université de Lille)

    - LTDS (Ecole Centrale de Lyon)

    - Navier – Géotechnique  (Ecole des Ponts ParisTech)

    - 3S-R (Université  Grenoble-Alpes)

    Organismes industriels :

    - EDF (Centres d’ingénierie)

    - Fugro GeoConsulting SAS (Nanterre)

    - Saipem SA (St Quentin-en-Yvelines)

    Le contenu scientifique et technique du projet ANR-SOLCYP s’articule autour de cinq tâches :

    -          Caractérisation expérimentale du comportement monotone et cyclique de deux sols de référence : une argile et un sable ;

    -          Expérimentations sur le comportement des interfaces sol-pieu : interfaces sol-acier pour caractériser le comportement des pieux battus, et interfaces sol-béton pour caractériser le comportement des pieux forés ;

    -          Essais en chambre d’étalonnage et en centrifugeuse pour appréhender la réponse globale du système sol-pieu sous chargements cycliques ;

    -          Développement de différentes approches numériques pour modéliser le comportement cyclique des pieux ;

    -          Proposition de procédures et méthodes de calcul pour le dimensionnement des pieux sous chargements cycliques.

    Le rapport final ANR-SOLCYP de Septembre 2013  synthétise les résultats obtenus.

    Le Projet National SOLCYP

    Le Projet National SOLCYP a été conduit en parallèle et en prolongement du programme ANR-SOLCYP sur la période 2009 – 2014.

    Le PN-SOLCYP a regroupé une douzaine d’acteurs des secteurs du génie civil et de l’énergie : BOTTE FONDATIONS, EDF, EDF-EN, FRANKI FONDATION, FUGRO, IHC, MENARD, SAIPEM, SOCOTEC, SOLETANCHE-BACHY, SUBSEA7, TERRASOL, TOTAL.

    Les laboratoires et instituts de recherche impliqués dans le programme ANR-SOLCYP ont été associés au PN-SOLCYP.

    Le PN-SOLCYP a été soutenu financièrement par le ministère du développement durable (MEDDE) et la Fédération Nationale des Travaux Publics (FNTP). Il a été labellisé par le Pôle Ecoconstruction (Pays de la Loire) et a reçu le soutien financier de la région Pays de la Loire.

    Essais de pieux in situ sous charges axiales

    L’objectif essentiel du PN-SOLCYP était d’établir une base expérimentale de données d’essais de pieux à grande échelle pouvant servir de référence pour la validation des méthodologies développées dans le cadre du programme ANR-SOLCYP.

    Des essais in situ de pieux sous chargement axial ont été conduits sur deux sites expérimentaux. Le premier site est à Merville dans le Nord de la France où se rencontre près de la surface la formation d’argile des Flandres. Il s’agit d’une argile plastique Eocène, très fortement surconsolidée, et de consistance raide à très raide. Elle est de la même origine géologique que l’argile de Londres de l’autre côté de la Manche. Dix pieux ont été installés sur ce site en Mars 2011 : quatre pieux tubulaires métalliques fermés à leur base, quatre pieux forés exécutés à la tarière creuse et deux pieux dits vissés. La longueur des pieux était de 13.5m et les diamètres de respectivement 406mm pour les pieux battus et 420mm pour les pieux forés ou vissés. Les pieux étaient équipés d’extensomètres amovibles de type LCPC permettant la mesure des efforts axiaux tous les mètres. Durant les mois de Mai et Juin 2011, les pieux ont été soumis à des séries de chargements incluant des chargements statiques conventionnels (par incréments de charge maintenus une heure), des chargements monotones rapides et des chargements cycliques. Ces derniers comprenaient des essais conduisant à la rupture après un nombre limité de cycles de grande amplitude et des essais à faible amplitude allant jusqu’à plusieurs milliers de cycles (N>10 000). Tous les modes de chargement ont été appliqués : tension, compression, répétés, alternés.

    Le deuxième site était à Loon-Plage, près de Dunkerque où la formation de sables des Flandres est affleurante. Il s’agit de dépôts de sables fins d’origine post-glaciaire se trouvant dans un état essentiellement dense. L’Imperial College de Londres avait conduit dans les années 1990 des essais de chargements cycliques sur des pieux battus installés sur un site très proche, dans l’enceinte du Port de Dunkerque. La disponibilité des résultats au travers d’une collaboration SOLCYP-Imperial College a permis de réduire le nombre de pieux d’essais battus à deux. Au final on a installé sur ce site en Novembre 2011 deux pieux métalliques battus fermés à leur base de 13.5m de long et 406mm de diamètre et cinq pieux forés à la tarière creuse de 420mm de diamètre et de longueurs 8 ou 10.5m. Un programme de chargement similaire dans son esprit à celui de Merville leur a été appliqué en Mars 2012. 

    Les deux sites ont fait l’objet de reconnaissances géotechniques détaillées comportant de nombreux essais in situ (CPT, PMT) et carottages. Un programme important d’essais de laboratoire sur les carottes prélevées a permis de parfaitement caractériser les matériaux tant sous sollicitations monotones que cycliques.

    Essais de pieux modèles sous charges axiales

    Des séries d’essais en macrogravité ont été conduites sur des matériaux de référence (sable de Fontainebleau et argile Speswhite dans la grande centrifugeuse de l’IFSTTAR à Nantes). L’objectif principal était d’établir des diagrammes de stabilité  cyclique pour :

    -          différentes conditions de sols (sables denses et moyennement denses, argiles molles et raides) ;

    -          différents méthodes d’installation : forage et battage ;

    -          différents modes de chargement : tension, compression, cyclique répété, cyclique alterné.

    Des essais de pieux modèles ont été également réalisés dans des chambres d’étalonnage. Les essais fortement instrumentés conduits dans la grande chambre d’étalonnage du Laboratoire 3S-R de l’Université Grenoble-Alpes, menés en collaboration avec l’Imperial College de Londres, ont permis de recueillir des données de grande précision sur la mobilisation du frottement à l’interface pieu – sable et son évolution en cours de cyclage. La chambre d’étalonnage du Cermès (Navier) a été utilisée pour recueillir des données dans les argiles et dans les sables sous grand nombre de cycles.

    Essais de pieux modèles sous charges latérales

    L’effet des chargements cycliques latéraux n’a été abordé que par le biais d’essais en macrogravité. Seul le comportement de pieux flexibles a été simulé dans la centrifugeuse IFSTTAR. Des séries de chargements répétés et alternés ont été conduites sur des pieux modèles moulés dans du sable de Fontainebleau moyennement dense et dense et dans de l’argile Speswhite normalement consolidée et surconsolidée. L’objectif principal était d’étudier la dégradation de la raideur ainsi que l’évolution des déplacements du pieu et des moments de flexion sous l’effet des cycles. 

    Organisation du PN - SOLCYP

    Le projet national SOLCYP était piloté par l’Institut pour la Recherche et les Expérimentations en Génie Civil (IREX).

    Le Président du projet était Alain PECKER (Géodynamique et Structure).

    La Direction Technique était assurée par Alain PUECH (Fugro GéoConsulting SA).

    Le Professeur Richard JARDINE de l’Imperial College, Londres et le Professeur Alain HOLEYMAN de l’Université Catholique de Louvain-la-Neuve ont apporté leurs conseils et expertise.

Contenu et nature des recommendations solcyp:
    Les recommendations SOLCYP ont pour ambition de :
  • décrire les phénomènes physiques gouvernant la réponse des pieux soumis à des sollicitations cycliques axiales ou latérales 
  • exposer la méthodologie de dimensionnement des pieux sous chargements cycliques développée dans le cadre du projet SOLCYP;
  • fournir un ensemble de recommandations susceptibles de servir de base pour initier des actions prénormatives en vue de l’introduction de ces nouveaux acquis dans la normalisation nationale ou internationale.


    Le document a été rédigé par un petit groupe d’experts géotechniciens impliqués dans le projet SOLCYP. Ces recommandations  ne sauraient avoir de caractère normatif. Toutefois les auteurs ont veillé à ce que le contenu du document soit à la fois compatible et complémentaire avec les normes en vigueur :

    - dans les domaines du génie civil et du génie portuaire et maritime français 

    - dans le domaine de l’industrie offshore internationale.


      Le document comporte 11 Chapitres :

      Le Chapitre 1 présente les motivations, le contenu et le contexte réglémentaire.

      Le Chapitre 2 définit le périmètre d’application des présentes recommandations.

      Le Chapitre 3 est consacré à la caractérisation des charges cycliques et aux données requises pour évaluer leurs effets sur des fondations sur pieux.

      Le Chapitre 4 pose les bases nécessaires à la compréhension des phénomènes de dégradation cyclique dans les sols et les interfaces pour les systèmes sol-pieu.

      Le Chapitre 5 présente la stratégie développée au cours du projet SOLCYP pour aborder le dimensionnement des pieux sous chargements cycliques.

      Les Chapitres 6 et 8 décrivent la phénoménologie du comportement des pieux soumis à des charges cycliques respectivement axiales et latérales.

      Les Chapitres 7 et 9 exposent les recommandations SOLCYP pour la conception et le dimensionnement des pieux sous charges respectivement axiales et latérales.

      Le Chapitre 10 indique comment obtenir les paramètres géotechniques nécessaires au dimensionnement des pieux sous charges cycliques.

      Le Chapitre 11 présente des recommandations propres à guider le concepteur dans le choix d’un programme d’essais et contrôles adaptés au contexte du projet étudié.

    Contexte réglementaire:
    • Les recommandations émises sont destinées à compléter la règlementation et les normes en vigueur sur un aspect particulier qui est celui de la réponse des pieux sous charges cycliques. Leur ambition est de combler certaines lacunes en apportant au concepteur/projeteur un ensemble cohérent de méthodes lui permettant d’évaluer de manière quantitative les effets des charges cycliques. Ces méthodes ont été conçues de manière à ne pas entrer en conflit avec les documents normatifs. Il s’agit notamment de :

      -          Eurocode 7 (NF EN 1997 et son annexe nationale NF 94 251- 1/NA).

      -          Eurocode  8 (NF EN 1998 et ses annexes nationales).

      -          Norme NF P 94 262 – Justification des ouvrages géotechniques / Fondations profondes (norme d’application nationale de l’Eurocode 7).

      Les recommandations sont également compatibles avec les « Recommandations sur la conception, le calcul, l’exécution et le contrôle des fondations d’éoliennes » éditées sous l’égide du Comité Français de Mécanique des Sols (CFMS).

      Dans le domaine des travaux offshore, pour lesquels n’existe à ce jour aucun document normatif national, on pourra se référer aux principaux documents de référence internationaux en vigueur dans l’industrie pétrolière :

      -          ISO 19901-4. (2003) Petroleum and Natural Gas Industries, Specific requirements for offshore structures, Part 4: Geotechnical and Foundation Design Considerations.

      -          API RP2GEO (2011) API Recommended Practice, Geotechnical and Foundation Design Considerations, First Edition, April 2011.

      -          DnV (1992), Classification Note 30-4, Foundations.

      ou plus spécifiques à l’industrie éolienne :

      -          DnV-OS-J101 (2011, 2014) Design of Offshore Wind Turbines Structures, DnV Offshore Standards.

      -          GL Rules and Guidelines (2005): IV Industrial Services. Part 2 - Guidelines for the Certification of Offshore Wind Turbines, Germanischer Lloyd, Reprint 2007.

      -          BSH (2007, 2011) Design of Offshore Wind Turbines.

      Ces documents contiennent un certain nombre de recommandations pour le traitement de l’effet des chargements cycliques sur les fondations, mais sont encore loin d’y apporter des solutions définitives, notamment en ce qui concerne les pieux. Les recommandations qui suivent pourront dans certains cas permettre d’affiner les approches traditionnellement admises en offshore. Le document français « Recommandations pour la conception et le dimensionnement des fondations d’éoliennes offshore » en cours de rédaction sous l’égide du CFMS intègre les apports du projet SOLCYP.