Les fondations et les sous-bases pour les dalles en béton
Ce qui se trouve sous votre dalle de béton est essentiel à la réussite de votre travail. Ce n’est pas différent des fondations d’un bâtiment.
Par définition, une dalle sur le sol (ou une dalle au sol) n’est pas destinée à être autoportante. Le “système de soutien du sol” qui se trouve en dessous est là pour soutenir la dalle.
Qu’est-ce qu’une sous-base / fondation ?
La terminologie utilisée pour les systèmes de soutènement des sols n’est malheureusement pas tout à fait cohérente. Nous allons donc suivre les définitions de l’American Concrete Institute, en commençant par le bas :
1️⃣ Sous-sol – il s’agit du sol naturel (ou du sol amélioré), généralement compacté.
2️⃣ Couche de fondation – il s’agit d’une couche de gravier au-dessus de la couche de fondation.
3️⃣ Base (ou couche de base) – il s’agit de la couche de matériau située au-dessus de la couche de base et directement sous la dalle.
▶️ La seule couche absolument nécessaire est la couche de fondation : vous devez disposer d’un sol sur lequel vous pourrez poser une dalle. Si le sol naturel est relativement propre et compactable, vous pouvez poser une dalle juste au-dessus sans couche supplémentaire.
Le problème est que le sol peut ne pas bien se drainer et devenir boueux pendant la construction s’il est mouillé, qu’il peut ne pas être bien compacté et qu’il peut être difficile de l’aplanir et de le mettre au bon niveau. En général, le sommet de la couche de fondation doit être nivelé à plus ou moins 1,5 pouce de l’élévation spécifiée.
Une sous-fondation et une couche de base, ou les deux, offrent plusieurs avantages.
✅ Plus la couche de fondation est épaisse, plus la dalle peut supporter de charges, donc si la dalle doit supporter des charges lourdes, comme des camions ou des chariots élévateurs, le concepteur spécifiera probablement une couche de fondation épaisse.
✅ Une sous-couche peut également agir comme une coupure capillaire, empêchant l’eau de s’infiltrer dans la dalle à partir de la nappe phréatique. Le matériau de la couche de fondation est généralement un gravier bon marché sans beaucoup de fines.
✅ Une couche de base au-dessus de la sous-fondation permet d’atteindre plus facilement la bonne pente et de la rendre plate. Si vous utilisez une sorte de couche d’étouffement composée de matériaux plus fins sur le dessus de la sous-fondation, elle supportera vos employés et votre équipement pendant la mise en place du béton. L’épaisseur de la dalle sera également uniforme, ce qui permettra d’économiser sur le béton, la partie la plus coûteuse du système.
✅ Une couche de base plate permettra également à la dalle de glisser facilement au fur et à mesure qu’elle se rétracte, réduisant ainsi la contrainte et le risque de fissures lorsque le béton se contracte après la mise en place (retrait de séchage).
❕ L’ensemble de la couche de fondation et du système de base doit avoir une épaisseur d’au moins 10 cm, voire plus si l’ingénieur estime que cela est nécessaire pour un bon support.
Le matériau de la couche de base, selon l’ACI 302, “Concrete Floor and Slab Construction”, doit être “un remplissage granulaire compactable, facile à tailler, qui restera stable et supportera le trafic de construction”. L’ACI 302 recommande un matériau contenant 10 à 30 % de fines (passant au tamis n° 100), sans argile, limon ou matières organiques.
Les granulats manufacturés donnent de bons résultats – les granulats de béton recyclé concassé peuvent également donner de bons résultats. Les tolérances sur la couche de base sont de +0 pouce et moins 1 pouce pour les planchers de classe 1 à 3 (planchers typiques à faible tolérance) ou +0 pouce et moins ¾ pouce pour les planchers à tolérance plus élevée.
Qu’en est-il du sol ?
Le poids de la dalle et de tout ce qui se trouve au-dessus va finir par être supporté par le sol. Lors de l’excavation d’un site de construction, le sol est généralement déplacé – les parties hautes sont coupées et les parties basses sont remplies. Tout doit ensuite être compacté avant de placer le béton, la sous-fondation et la base.
Le type de sol détermine ce qui doit être fait avant de placer une dalle. Il existe trois types de sol de base et voici ce que vous devez savoir sur chacun d’eux :
1️⃣ Les sols organiques, que l’on pourrait appeler sols de surface, sont parfaits dans votre jardin, mais terribles sous une dalle. Les sols organiques ne peuvent pas être compactés et doivent être enlevés et remplacés par un remplissage compressible.
2️⃣ Les sols granulaires sont du sable ou du gravier. Vous pouvez facilement voir les particules individuelles et l’eau s’en écoule assez facilement. Tout comme à la plage lorsque vous faites un château de sable, si vous prenez une poignée humide de sol granulaire et que vous en faites une boule, dès qu’elle sèche, elle s’effrite. Les sols granulaires ont la plus grande force portante et se compactent facilement.
3️⃣ Les sols cohésifs sont des argiles. Si vous prenez une poignée humide, vous pouvez la rouler en une ficelle, comme avec la pâte à modeler. Elle a une texture grasse et lisse entre les doigts et les particules individuelles sont trop petites pour être visibles.
Les sols cohésifs sont souvent difficiles à compacter et prennent une consistance dure comme de la pierre lorsqu’ils sont secs, mais leur force portante est inférieure à celle des sols granulaires. Certaines argiles se dilatent à l’état humide et se rétractent à l’état sec, ce qui les rend particulièrement difficiles à utiliser comme matériaux de fondation.
La meilleure façon de contrer ce problème est d’abord d’assurer un bon compactage, puis de ne pas les laisser se mouiller (en assurant un drainage). Mais lorsque le sol sous la dalle s’assèche avec le temps, il se rétracte et la dalle s’enfonce. Ce n’est pas un gros problème tant que la dalle est isolée des semelles et des colonnes, ainsi que des tuyaux qui pénètrent dans la dalle, afin qu’elle puisse se tasser un peu et se stabiliser uniformément.
Souvent, avec les argiles expansives, la meilleure approche est une dalle structurelle qui ne repose pas du tout sur le sol ou une dalle post-tensionnée qui flotte au-dessus du sol mais ne dépend pas de lui pour le soutien structurel.
La plupart des sols naturels, bien sûr, sont des mélanges et sont donc caractérisés par le type de matériau prédominant. La quantité de poids que le sol peut supporter avant de céder est sa capacité portante, généralement exprimée en livres par pied carré. La conception, cependant, est basée sur la pression admissible du sol, qui ajoute un facteur de sécurité à la capacité portante ultime.
Examinons le poids que le sol de fondation doit généralement supporter. Une dalle de 6 pouces d’épaisseur pèse environ 75 livres par pied carré. Selon l’International Residential Code, la charge utile (tout ce qui ne fait pas partie du bâtiment lui-même), varie d’environ 20 à environ 60 livres par pied carré – 50 livres par pied carré dans un garage. Cela nous donne 125 livres par pied carré que le sol doit supporter. Un sol sableux propre peut avoir une pression de sol admissible aussi élevée que 2000 livres par pied carré. Même un sol pauvre – limon ou argile molle – peut avoir une pression admissible de 400 livres par pied carré.
Nous pouvons donc voir que la pression du sol admissible pour une dalle est rarement un problème. Cependant, il est nécessaire d’avoir un support uniforme car si une partie de la dalle s’affaisse plus qu’une autre, on obtient une flexion de la dalle et potentiellement des fissures et un tassement différentiel. Il est important de savoir quelles zones ont été coupées et quelles zones ont été remplies – assurez-vous que les zones de remplissage ont été bien compactées. En fait, tout sol qui a été perturbé pendant l’excavation doit être compacté.
Support uniforme
La clé du système de soutien du sol est un soutien uniforme plutôt qu’un soutien fort. Bien sûr, il doit être capable de soutenir la dalle, et sur la plupart des sols, ce n’est pas un gros problème, du moins au milieu de la dalle, puisque la charge est répartie sur une grande surface. Un bon support solide sur les bords et au niveau des joints peut être une autre affaire – pour éviter les fissures et l’écaillage des joints, nous devons soutenir la dalle à ces endroits où elle peut se comporter comme un porte-à-faux et se plier dans la sous-base. Mais avec une bonne sous-couche, ce n’est pas vraiment un problème non plus.
Qu’arrive-t-il à une dalle de béton si le support n’est pas uniforme ?
Le béton est très résistant en compression et moins en tension. Dans une dalle, la tension est souvent créée par la flexion. Lorsqu’une pièce de béton se plie, elle est en compression d’un côté et en tension de l’autre. Une dalle de béton peut se courber de façon concave vers le haut (comme un sourire) si le sol de fondation présente un point mou au milieu, ce qui met le fond en tension. Elle peut se courber vers le bas (comme un froncement de sourcils) au niveau des bords libres ou des joints, ce qui met le dessus en tension. Ainsi, si l’ensemble de votre dalle de béton n’est pas soutenu par le bas, par le “système de soutien du sol”, elle se déformera plus facilement et se fissurera probablement.
Pourquoi le sol et la fondation permettent-ils au béton de bouger, ne devrait-il pas être complètement rigide ?
Le fait est que tout sol ou couche de base en gravier va se comprimer si la charge est suffisamment élevée, à moins que la dalle ne soit placée sur une roche solide. Et d’une certaine manière, c’est une bonne chose, car les dalles se courbent et si la base peut dévier un peu, elle peut continuer à fournir un support à la dalle même lorsqu’elle se courbe. Mais si elle ne fournit pas un support uniforme, si la dalle doit franchir des zones molles, la dalle se fissurera probablement. Il n’est même pas nécessaire qu’il y ait une charge importante sur la dalle – son propre poids est généralement suffisant car une dalle au sol n’est généralement pas conçue pour supporter la charge morte. Et lorsqu’elle se fissure, cette fissure va traverser la dalle de part en part. Si l’appui sous la dalle est suffisamment mauvais, il peut y avoir un tassement différentiel à travers la fissure qui laisse une bosse très malheureuse et un propriétaire très mécontent.
Comment le sol de fondation affecte-t-il la conception des dalles ?
Nous déployons tous ces efforts pour obtenir le système de supportage du sol approprié et nous nous retrouvons avec une seule valeur d’entrée pour la conception de la dalle. La valeur la plus couramment utilisée est le module de réaction du sol de fondation, k. Cette valeur n’est pas directement liée à la capacité portante et k ne permet pas au concepteur de savoir si le sol est compressible ou expansif. Elle indique la rigidité de la couche de fondation/de l’infrastructure sur de petites déflexions (environ 0,05 pouce).
Voyons maintenant pourquoi nous avons besoin de connaître la flexibilité de la couche de fondation. Pour commencer, il est important de comprendre qu’une dalle sur sol est conçue comme un béton “ordinaire”. Cela signifie que nous ne comptons pas sur l’acier d’armature pour supporter une partie de la charge. Mais attendez, dites-vous, il y a de l’acier dans la dalle – des treillis et des barres d’armature. Oui, mais cet acier n’est là que pour contrôler les fissures et les maintenir fermement ensemble. Il ne s’étend normalement pas à travers les joints – aux joints, nous voulons seulement transférer les forces de cisaillement, pas les moments de flexion et certainement pas la retenue latérale. C’est pour cela que le joint est là en premier lieu, pour permettre le retrait latéral de la dalle.
Donc, si nous ne comptons pas sur l’acier pour supporter une quelconque charge, le béton doit être suffisamment solide pour supporter la flexion. Et le soutien qu’il reçoit par le bas détermine l’ampleur de la flexion. Comme nous l’avons déjà dit, le béton n’est pas très solide en tension, et comme la moitié de la flexion est de la tension, il n’est pas très solide en flexion. Ce qui le rend plus fort en flexion, cependant, c’est une dalle plus épaisse.
Plus le sol est faible, ou plus les charges sont lourdes, plus la dalle doit être épaisse. La résistance du béton entre également en jeu, mais la plupart des dalles en béton ont une résistance de 3000 à 4000 psi, ce qui n’est pas un facteur important. La résistance à la traction du béton est généralement considérée comme représentant 10 à 15 % de la résistance à la compression, soit seulement 400 ou 500 psi. Comparez cela à la résistance à la traction d’une barre d’armature de qualité 60, qui est de 60 000 psi.
Ce qu’il faut retenir ici, c’est qu’une dalle de béton est censée être rigide, mais on ne s’attend pas à ce que la base soit infiniment rigide. Une dalle se tassera un peu et cela est acceptable du point de vue de la conception – encore une fois, tant que le tassement est uniforme. Le danger, cependant, se situe aux bords de la dalle ou aux joints qui sont suffisamment larges pour permettre à la dalle de chaque côté de se tasser indépendamment. Sur ces bords libres, le poids que la dalle peut supporter dépend de la rigidité de la base et de la résistance à la flexion de la dalle, qui est principalement fonction de l’épaisseur de la dalle.
Comment améliorer la plateforme ?
La plupart des améliorations de la plate-forme sont réalisées en compactant le sol. Dans des situations extrêmes, lorsque le sol est particulièrement mauvais ou que les charges sont élevées, la stabilisation du sol peut être utilisée. Dans ce cas, du ciment portland, du chlorure de calcium ou de la chaux sont mélangés au sol, puis celui-ci est compacté. Le sol de la plate-forme peut également être excavé et mélangé à du gravier, puis compacté.
Le compactage du sol consiste à expulser autant d’air et d’humidité que possible pour pousser les particules solides du sol ensemble – ce qui rend le sol plus dense et, généralement, plus la densité du sol est élevée, plus sa capacité de charge est importante. Les sols bien compactés ne permettent pas non plus à l’humidité d’entrer et de sortir aussi facilement.
Le compactage a donc les effets suivants
🔵 Il réduit la quantité de compression (tassement) du sol lorsque la dalle repose dessus.
🔵 Il augmente la quantité de poids que nous pouvons y mettre (capacité portante).
🔵 Il prévient les dommages causés par le gel (soulèvement) si le sol sous la dalle gèle.
🔵 Réduit le gonflement et la contraction
Le degré de compactage d’un sol est mesuré par un ingénieur géotechnicien (ou pédologue) en plaçant le sol dans un cylindre et en le frappant – sérieusement. L’essai Proctor standard ou modifié (chacun utilise des poids différents pour comprimer le sol) détermine la relation entre la densité du sol et l’humidité et nous indique la densité maximale raisonnable du sol qui peut être obtenue sur le terrain.
Ce que nous essayons de déterminer avec l’essai Proctor, c’est la teneur en humidité du sol qui le rendra plus facile à compacter et qui donnera la densité la plus élevée – n’oubliez pas que la densité est directement liée au compactage. Si le taux d’humidité est insuffisant, le sol est sec et ne se compacte pas facilement ; s’il est trop humide, il est difficile d’en extraire l’eau. Pour obtenir le meilleur compactage, la teneur en eau optimale se situe généralement entre 10 et 20 %. Ainsi, lorsque vous entendez que, selon les spécifications, le sol doit atteindre 95 % de la densité maximale du Proctor modifié, vous savez que la teneur en humidité doit être à peu près correcte pour atteindre ce niveau de compactage.
Si vous n’avez pas l’intention de faire faire des tests Proctor, il existe des tests simples sur le terrain pour avoir une idée approximative de la capacité portante et de la teneur en humidité :
▶️ Pour la teneur en humidité, utilisez le test de la main. Pressez une boule de terre dans votre main. Si elle est poudreuse et ne tient pas en place, c’est qu’elle est trop sèche ; si elle se moule en une boule et se brise en quelques morceaux lorsqu’on la laisse tomber, c’est à peu près ça ; si elle laisse de l’humidité sur votre main et ne se brise pas lorsqu’on la laisse tomber, c’est qu’elle est trop humide.
▶️ L’argile dans laquelle vous pouvez enfoncer votre pouce de quelques centimètres avec un effort modéré a une force portante de l’ordre de 1000 à 2500 psf.
▶️ Le sable meuble dans lequel vous pouvez à peine enfoncer une barre d’armature n° 4 à la main a une capacité portante de 1 000 à 3 000 psi.
▶️ Le sable dans lequel vous pouvez enfoncer une barre d’armature n° 4 sur environ 30 cm à l’aide d’un marteau de 5 livres a une capacité portante supérieure à 2000 lb/pi2.
N’oubliez pas non plus qu’il n’y a pas que le sol (la couche de fondation) qui doit être compacté. Toutes les sous-bases ou couches de base, qui sont généralement des matériaux granulaires, doivent également être bien compactées dans les épaisseurs de couche appropriées.
Equipement de compactage
Il existe deux façons de compacter le sol ou le sous-sol – la force statique ou la force vibratoire. La force statique correspond simplement au poids de la machine. La force vibratoire utilise une sorte de mécanisme pour faire vibrer le sol, ce qui réduit la friction entre les particules du sol, leur permettant de se compacter plus facilement.
Le type de sol (ou de matériau de fondation) détermine le type d’équipement nécessaire au compactage :
1️⃣ Les sols cohésifs doivent être cisaillés pour être compactés, il faut donc une machine qui a une grande force d’impact. Une pilonneuse est le meilleur choix, ou pour les travaux plus importants, un rouleau à pattes d’oie (similaire à un rouleau à pattes de mouton). Les levées pour le compactage des sols cohésifs ne doivent pas avoir plus de 15 cm d’épaisseur.
2️⃣ Pour les sols granulaires, il suffit de faire vibrer les particules pour les rapprocher les unes des autres. Les plaques ou rouleaux vibrants sont le meilleur choix. Les levées pour le gravier peuvent avoir une épaisseur de 12 pouces ; 10 pouces pour le sable.
Pour les gros travaux, comme les autoroutes ou les grandes dalles, on utilise pour le compactage de gros rouleaux vibrants autoportés, avec des rouleaux lisses ou des rouleaux à pattes d’oie. Les rouleaux à conducteur accompagnant, soit avec des rouleaux rembourrés qui pétrissent le sol, soit avec des rouleaux vibrants lisses, sont bons pour les travaux de taille moyenne. Pour les travaux plus petits, les deux types d’équipement de compactage les plus courants sont les plaques vibrantes (à sens unique ou réversibles) et les pilonneuses.
Voici quelques détails sur chacun des types d’équipement :
✔️ Les marteaux, parfois appelés crics à sauter, ont un poids variant de 130 à 185 livres environ. Ces outils sont parfaits pour compacter le sol dans une tranchée de semelle ou pour les argiles cohésives dans des zones plus petites, car ils fournissent une force d’impact élevée (grande amplitude, basse fréquence). Ils ne conviennent pas pour le compactage des matériaux granulaires, comme les couches de base.
✔️ Les plaques vibrantes sont idéales pour le compactage des sols granulaires et des couches de fondation. Elles sont disponibles dans des poids de 100 à 250 livres avec des plaques de 1 à 1,5 pieds par 2 pieds. La vibration est d’une amplitude plus faible mais d’une fréquence plus élevée qu’avec une pilonneuse et est équilibrée pour faire avancer la machine.
Les plaques vibrantes réversibles fonctionnent bien sur les sols granulaires ou avec des mélanges granulaires-cohésifs. Grâce à deux poids excentriques, la vibration peut être inversée pour faire avancer ou reculer la machine ou l’arrêter pour comprimer un seul point mou. Pour le prix, ce sont de bonnes machines grâce à leur polyvalence.
Mise en place du béton
Le sol est enfin compacté, la couche de fondation et la couche de base sont placées et compactées. Mais que se passe-t-il s’il y a un retard à ce stade avant la mise en place du béton ? S’il pleut ou si la couche de fondation est gelée avant la mise en place du béton, elle peut passer d’un état prêt à un état trop mou.
💡 La meilleure façon de savoir si la fondation est correctement compactée et prête à recevoir la dalle est de procéder à un essai de roulage, c’est-à-dire de faire passer un camion lourdement chargé (comme un camion à béton entièrement chargé) sur la fondation immédiatement avant de placer le béton pour voir si certaines zones s’enfoncent plus que d’autres.
Cette opération doit être effectuée selon une sorte de quadrillage et les pneus ne doivent pas s’enfoncer dans la surface de plus de ½ pouce. S’il y a un orniérage ou un pompage d’eau dans une partie de la fondation ou de la plate-forme, alors cette zone a besoin d’un meilleur compactage ou de l’ajout de matériaux granulaires – ou simplement d’être laissée à sécher. Dans le pire des cas, des tranchées ou des puisards peuvent être creusés et l’eau pompée.
▶️ Juste avant de mettre en place le béton, vous pouvez également placer un pare-humidité. Pour les sols intérieurs, le meilleur endroit est généralement entre la couche de base et le béton.
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