Interaction sol–structure : quand et comment la modéliser ?

Radiers, ouvrages enterrés, dalots : quand l'interaction sol–structure devient déterminante et comment la modéliser, des ressorts aux éléments finis.

Dans de nombreux calculs, la structure est supposée reposer sur des appuis rigides. Cette hypothèse est commode, mais elle devient fausse dès que la déformabilité du sol modifie sensiblement la répartition des efforts. C'est le domaine de l'interaction sol–structure : le sol et l'ouvrage se déforment ensemble, et chacun influence le comportement de l'autre.

Quand l'interaction sol–structure est-elle déterminante ?

• Radiers et semelles filantes : les moments dépendent directement de la raideur relative entre le radier et le sol.
• Ouvrages enterrés (cadres, tranchées couvertes, gares souterraines) : les poussées des terres et les réactions du sol conditionnent le dimensionnement.
• Ouvrages hydrauliques enterrés (dalots, buses, chambres) : charges de remblai, sous-pressions et déformabilité du sol interagissent.
• Fondations profondes en groupe : la répartition des charges entre pieux dépend du sol et de la raideur de la semelle.
• Structures sensibles aux tassements différentiels : bâtiments longs, ouvrages à appuis multiples.

Les approches de modélisation

Appuis élastiques (modèle de Winkler)

Le sol est représenté par des ressorts indépendants, caractérisés par un coefficient de réaction. Cette approche simple s'intègre facilement dans un modèle de structure. Il faut cependant garder en tête que le coefficient de réaction n'est pas une propriété intrinsèque du sol : il dépend aussi des dimensions de la fondation et du niveau de chargement.

Modèles couplés et éléments finis

Pour les cas plus complexes, le sol est modélisé en continu, en 2D ou en 3D, avec une loi de comportement adaptée. Ce type de modèle (par exemple sous Plaxis, ou avec les fonctionnalités géotechniques de SOFiSTiK) prend en compte l'effet de groupe, le phasage de construction et la nappe. Il demande en contrepartie des paramètres de sol mieux définis et un temps d'analyse plus important.

Choisir les paramètres de sol

Les raideurs sont déduites des essais disponibles, par exemple les essais pressiométriques Ménard très utilisés en France, ou les essais de laboratoire. Comme ces paramètres comportent une incertitude, une bonne pratique consiste à encadrer le calcul par une raideur haute et une raideur basse, puis à retenir l'enveloppe des efforts pour le dimensionnement.

Les pièges courants

• Utiliser un coefficient de réaction « standard » sans lien avec la géométrie réelle de la fondation.
• Négliger les effets différés : consolidation des sols fins, fluage du béton.
• Oublier la nappe et les sous-pressions, ou ne considérer qu'un seul niveau d'eau.
• Retenir uniquement la poussée active sur un ouvrage enterré rigide, alors que la poussée au repos est souvent plus représentative.
• Ne pas vérifier la cohérence entre tassements calculés et tassements admissibles pour la structure.

En résumé

Modéliser l'interaction sol–structure, c'est accepter que l'ouvrage et son terrain forment un seul système. Le niveau de modélisation doit être proportionné aux enjeux. ROKENG mène des études d'interaction sol–structure pour les fondations, soutènements et structures enterrées.