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 Bulletins techniques
août 2011

Le comportement des fondations résidentielles sous zéro

Par Frédéric Gagnon ing., M. Sc.,

Le climat québécois, étant ce qu'il est, les dommages associés aux effets du gel sont nombreux hiver après hiver. Une importante part de ces dommages se situe au niveau des fondations résidentielles. Cette situation est préoccupante, puisque les répercussions s'étendent souvent au reste du bâtiment et peuvent prendre des proportions importantes. Les principaux phénomènes d'endommagement des fondations par le gel sont le soulèvement direct, les poussées latérales et la congélation adhérente. La compréhension de ces phénomènes permet par la suite de les éviter par une conception adaptée aux conditions.

Soulèvement par le gel

Figure 1 : Soulèvement d'une dalle de béton dans un garage non chauffé

Lorsque l'eau passe de l'état liquide à l'état solide, elle voit son volume augmenter d'environ 9 %. Ainsi, lorsque l'eau contenue dans un sol humide gèle, elle peut causer un soulèvement de la surface du sol. Le gel de l'eau interstitielle débute lorsque la température descend sous 0 °C. La formation progressive de glace dans les pores du sol confine l'eau restante à des espaces de plus en plus petits. Le différentiel de pression entre les phases solide et liquide de l'eau attire l'eau non gelée vers le sol en cours de gel et aboutit à la formation de lentilles de glace. Trois conditions sont essentielles pour que cette action se produise. Le sol doit être sensible au gel, il doit y avoir suffisamment d'eau et les conditions climatiques doivent être propices. La susceptibilité d'un sol au gel est généralement fonction de la taille de ses particules, c'est-à-dire que les sols fins (silt et argile) sont plus sensibles que les sols graveleux.

La vitesse et l'amplitude du soulèvement dépendent de nombreux facteurs, comme le type de sol, la charge à soulever, les conditions d'eau souterraine et la vitesse de gel. Les forces de soulèvement engendrées peuvent, dans certains cas, être très élevées. Le Conseil national de recherche du Canada (CNRC) rapporte que des pressions de soulèvement de 1820 kPa (185 500 kg/m2) furent enregistrées par le passé et qu'un immeuble en béton armé de sept étages avec fondation sur radier a déjà été soulevé de plus de 50 mm par le gel du sol. Le soulèvement peut se produire sous les semelles de fondation ou sous les dalles sur sol. La figure 1 montre un exemple de dalle de garage qui a été soulevée par le gel. Dans certaines conditions, les fondations subissent des soulèvements lors des périodes froides sans que des dommages soient visibles. En effet, l'apparition des dommages est souvent associée à des mouvements différentiels des fondations. C'est-à-
dire que si le soulèvement est uniforme, il est possible qu'aucun dommage ne soit causé.

Afin de se prémunir contre le soulèvement des fondations par le gel, l'approche conventionnelle est de positionner la semelle à une profondeur supérieure à la profondeur de gel. Ainsi, le sol situé au-dessous des fondations n'est pas susceptible de geler et donc de se soulever. La pénétration du gel dans le sol est variable en fonction de la région, de la nature du sol et du type d'exposition. Des méthodes analytiques permettent d'évaluer cette profondeur. De plus, le type de fondation et l'usage que l'on en fait vont influencer la profondeur de gel à leur proximité. Par exemple, un intérieur chauffé ou non et le niveau d'isolation sont des facteurs qui doivent être considérés.

Poussée latérale

Figure 2 : Fissuration horizontale d'un mur de fondation en béton coulé

Une des principales fonctions d'un mur de fondation est la reprise des charges de terre appuyées contre lui. Le sol appuyé sur le mur transmet une poussée latérale distribuée triangulairement dont l'intensité dépend du type de sol. Évidemment, plus la hauteur du remblai est importante, plus les efforts seront considérables.

En gelant, le sol appuyé sur le mur gagne en volume et peut ainsi transmettre des efforts latéraux supplémentaires. Puisque le gel se produit d'abord près de la surface avant de progresser dans la masse de sol, le gonflement est plus important dans la partie supérieure. Contrairement aux poussées normales du sol, celles causées par le gel se situent donc principalement au niveau du sol fini plutôt qu'au fond des fondations.

Lorsque la résistance du mur n'est pas suffisante, l'endommagement se traduit généralement par l'apparition de fissures horizontales sur le mur de fondation, légère ment en dessous du niveau du sol fini. La figure 2 montre un exemple typique d'un mur de fondation endommagé par le gel du sol.

Congélation adhérente

La position des fondations au-delà du front de pénétration du gel n'est pas un gage que le mouvement du sol par le gel ne soulèvera pas les fondations. En effet, un des mécanismes souvent impliqués est la congélation adhérente. Ce phénomène se produit lorsque le sol, en gelant, adhère à la surface de l'élément de fondation. La poussée vers le haut, produite dans le sol par la formation des lentilles de glace, est alors transmise aux fondations auxquelles le sol est lié. L'adhérence du sol aux fondations peut être suffisamment importante pour que l'effort de soulèvement endommage les fondations.

Les lentilles de glace n'adhèrent qu'à des fondations froides. Généralement, les pertes de chaleur par les fondations de sous-sol en béton coulé sur place ou en blocs de béton isolés de l'extérieur sont suffisantes pour contrer le problème de l'adhérence due au gel. Il faut par contre prendre certaines précautions lorsque la fondation ne délimite pas un espace chauffé. La pose d'un isolant rigide ou d'une membrane imperméable comme couche séparatrice s'avère efficace pour contrer la congélation adhérente.

Conclusion

Comme on l'a vu, lorsque les températures extérieures descendent sous zéro, la transformation de l'eau en glace peut affecter les fondations par différents mécanismes. Puisque les conditions climatiques ne sont pas de notre ressort, une conception adéquate doit prendre en compte ces mécanismes. Le Code national du bâtiment du Canada (CNBC) prévoit d'ailleurs des exigences quant à la résistance au gel des fondations.

Enfin, les dommages causés par le gel au niveau des résidences ne se limitent pas aux fondations. Parfois, ce sont les patios, les clôtures, les piscines, les pavés imbriqués, les trottoirs en béton, etc. qui sont endommagés. Lorsque les conditions de sol et de drainage sont propices aux mouvements de sol par le gel, la qualité d'installation de ces équipements est critique.