Aujourd’hui, plus de 40 ans après son adoption, la norme de pratique en matière d’étayage est encore très prudente, en particulier pour les excavations dans les sols glaciaires compétents. De plus, les avantages de l’évaluation des dimensions du site (l’analyse des effets en 3D) – question qui a été étudiée dans le milieu universitaire, mais pas dans la pratique – sont généralement écartés dans la conception de l’étayage. Le fait de ne pas tenir compte de ces détails propres au site peut gonfler le coût de l’étayage, surtout pour les excavations de plus de 50 pi de profondeur, puisque la conception standard fondée sur la déformation plane surévalue souvent la déformation de l’étayage.
Les défis de l’étayage d’excavations profondes
Les excavations larges et profondes aménagées pour les gratte-ciel dans les villes peuvent atteindre environ 90 pi de profondeur. En règle générale, au-delà de 20 pi de profondeur, la méthode d’étayage est habituellement le forage de pieux avec plusieurs rangées de tirants d’ancrage. Il s’agit d’une conception prudente pour les sols glaciaires.
Au-delà de 50 pi, la conception normale devient très coûteuse et exige des sections de pieux plus lourdes et des tirants d’ancrage plus longs, qui supposent souvent des servitudes supplémentaires. Étant donné que les servitudes nécessitent la permission des propriétaires voisins, elles peuvent devenir problématiques. C’est le cas surtout si l’immeuble à construire risque d’obstruer la vue du propriétaire. Il n’est pas rare que les voisins fassent des pieds et des mains pour bloquer un projet d’aménagement.
Dans cette optique, il est dans l’intérêt des promoteurs d’éviter les servitudes dans la mesure du possible. Cela exige une conception avancée, ainsi que l’approbation de la ville dans bien des cas. Le processus varie selon l’emplacement, mais voici certaines des exigences :
- Modélisation numérique (FLAC3D, PLAXIS3D)
- Capacité de démontrer une performance adéquate
- Examens par les pairs
Tous ces éléments peuvent faire augmenter grandement le coût et la durée d’un projet.
À quel moment un modèle 3D devient-il rentable?
Les défis évoqués ci-dessus rendent la conception avancée avec effets 3D digne d’intérêt. De façon générale, lorsque le rapport longueur-profondeur pour la zone d’étayage est supérieur ou égal à quatre, l’hypothèse de déformation plane est généralement acceptable. Lorsqu’il est inférieur à deux (excavations plutôt carrées), il devient très utile de prendre en compte les effets 3D.
La différence entre les prévisions de déformation tridimensionnelle et plane peut être importante. Les conceptions font souvent fi de la troisième dimension, qui peut néanmoins favoriser une autoportance partielle. Les modèles 3D offrent une analyse plus approfondie de la performance de l’étayage, ce qui se traduit par une conception plus efficace.
Cas d’utilisation de la conception 3D pour les sols glaciaires
Dans l’exemple que nous prenons, le concepteur de l’étayage a estimé que 200 000 $ (US) ont été économisés grâce à l’utilisation des effets 3D.
WSP a travaillé avec un client de Seattle sur un projet d’excavation de 75 pi de profondeur pour un immeuble de 41 étages avec stationnement souterrain de plusieurs étages. Les dimensions du site donnaient un rapport longueur-profondeur de 1,6, ce qui nous a indiqué que la conception de l’étayage bénéficierait d’une analyse des effets 3D du plan d’implantation et des conditions de sol (sols très denses à durs ayant subi le passage des glaciers).
Plutôt que de s’appuyer sur les techniques de conception ordinaires, WSP a proposé une solution novatrice de conception avancée reposant sur une analyse numérique 3D afin d’améliorer la conception de l’étayage. C’était fort probablement la première fois qu’une solution de ce genre était appliquée à la pratique géotechnique à Seattle.
Le modèle simulait la séquence d’excavation et modélisait explicitement le sol et les éléments de conception de l’étayage, y compris les tirants d’ancrage, les pieux forés, le garnissage, etc. L’étalonnage du modèle et des propriétés du sol a été effectué à l’aide d’un modèle distinct fondé sur une excavation existante bien instrumentée, située à quelques pâtés de maisons seulement du site du projet.
Les résultats de l’analyse ont montré des poussées des terres plus faibles que les valeurs de conception typiquement utilisées à Seattle, en particulier près du coin du site où les estimations étaient d’environ 30 % inférieures à celles habituellement utilisées. Le vaste programme de surveillance mis en œuvre pendant la construction de l’étayage a démontré l’exactitude du modèle 3D et préparé une construction d’étayage économique.
Intégration des effets 3D dans la conception
Il a été démontré que dans certaines situations, l’intégration des effets 3D dans la conception de l’étayage est bénéfique et peut entraîner des économies substantielles pour les projets nécessitant des excavations profondes. Il est important de noter que des intrants de qualité sont essentiels à la réussite : un manque de données peut faire en sorte que la méthode ne soit pas viable. Pour obtenir le meilleur résultat possible, élaborez un modèle numérique 3D qui :
- contient des composants d’étayage pouvant être modélisés individuellement;
- permet de simuler les étapes de la construction comme points de repère;
- repose sur une caractérisation adéquate du sol;
- peut être étalonné en fonction de l’historique d’un autre cas (dans la mesure du possible).
Grâce à ces données, un modèle intégrant les effets 3D permet aux concepteurs de concevoir des solutions d’étayage efficaces pour un projet et de livrer une construction beaucoup plus efficiente à bien meilleur coût.
À propos de l’auteur
Ali Khoja est géotechnicien de projet sénior au bureau de Portland (Oregon). Il travaille chez WSP depuis plus de sept ans et a participé à des projets de mines à ciel ouvert et souterraines, d’infrastructure et de transport. Son expérience touche la conception et l’analyse de puits forés, les excavations profondes, les analyses sismiques avancées, l’interaction sol-structure et la modélisation numérique.
* Ce travail a été effectué par les professionnels de Golder qui se sont joints à WSP dans le cadre d’une acquisition réalisée en 2021.
