Comportement des pieux segmentés à tête libre avec joints mécaniques soumis à un chargement latéral

Pourquoi les fondations modulaires comptent pour les structures réelles

De nombreux ponts, ports et immeubles élevés reposent sur des fondations profondes appelées pieux, de longues colonnes enfoncées dans le sol. Une variante plus récente, le pieu à joints mécaniques, est constituée de segments préfabriqués qui s’emboîtent sur site, économisant temps et matériaux. Mais lorsque le vent, les vagues ou les séismes poussent ces pieux latéralement, les joints peuvent s’ouvrir légèrement et modifier le comportement global de la fondation. Cette étude pose une question pratique : ces pieux segmentés peuvent‑ils résister en toute sécurité aux efforts latéraux, et en quoi diffèrent‑ils des pieux monobloc classiques ?

Un nouveau type de fondation empilable

Les pieux à joints mécaniques sont assemblés à partir de tronçons plus courts reliés par des connecteurs en acier et des orifices préformés. Cette approche modulaire facilite le transport et la construction et peut réduire les déchets. Sous des charges verticales purement descendantes, des travaux antérieurs ont montré que ces pieux se comportent de manière très proche des pieux monoblocs, tant que le joint reste intact. Les sollicitations latérales sont différentes. Lorsqu’on pousse la tête du pieu, le joint mécanique peut pivoter légèrement, créant un petit jeu entre les segments. Cette rotation supplémentaire rompt la déformation continue d’un pieu monobloc et peut concentrer les déplacements et les forces au niveau du joint. Or, les règles de conception actuelles disent peu de choses sur le comportement de tels pieux segmentés lorsque leurs bases ne sont pas rigidement ancrées dans le sol — situation fréquente dans les sols mous ou les lits de rivières sujets à l’érosion.

Transformer un comportement sol–pieu complexe en mathématiques solvables

Pour aborder ce problème, les auteurs étendent une approche de conception largement utilisée appelée méthode m, qui traite le pieu comme une poutre flexible appuyée sur des ressorts représentant le sol environnant. Dans ce cadre, ils représentent le soutien latéral du sol comme croissant avec la profondeur, et ils résolvent les équations obtenues à l’aide d’une technique de développement en série de puissances. L’innovation clé consiste à insérer une « charnière » rotationnelle au niveau du joint mécanique avec une limite de rotation prédéfinie. À mesure que la charge latérale augmente, le pieu traverse trois phases : d’abord le tronçon supérieur pivote tandis que le tronçon inférieur reste presque immobile ; ensuite un état critique est atteint lorsque la rotation du joint atteint sa limite ; enfin, les deux tronçons fléchissent ensemble et partagent les efforts une fois que le joint « se referme » et commence à transmettre la flexion de façon plus importante.

Vérifier la théorie par des modèles numériques

Les chercheurs construisent ensuite un modèle tridimensionnel détaillé par éléments finis pour vérifier si leurs équations simplifiées rendent compte du comportement réel. Ils simulent un pieu en béton constitué de deux segments reliés par un connecteur rotationnel dans un sol homogène, poussé latéralement en tête. En comparant la méthode m étendue aux résultats numériques, ils constatent que le déplacement latéral de la tête du pieu et sa rotation prédits diffèrent de moins d’environ 5 à 10 %. Les efforts tranchants le long du pieu correspondent également bien. Le plus grand écart — environ 25 % — apparaît pour le moment de flexion maximal, une grandeur très sensible aux concentrations locales de contraintes près du joint. Les auteurs estiment que ce niveau de précision est acceptable pour la conception préliminaire et pour comprendre les tendances, tandis que des contrôles détaillés près du joint devraient toujours s’appuyer sur des modèles numériques plus complets ou sur des essais expérimentaux.

En quoi les pieux segmentés diffèrent des pieux monoblocs

À l’aide de leur modèle analytique, les auteurs comparent un pieu à joint mécanique avec un pieu classique monobloc de même longueur et diamètre, tous deux à tête libre et dans des conditions de sol identiques. Sous une même charge latérale, la tête du pieu assemblé se déplace d’environ 30 % de plus et tourne d’environ 55 % de plus que le pieu solide. En termes courants, la structure supportée pencherait davantage. Parallèlement, le moment de flexion maximal dans le pieu segmenté est inférieur d’environ 20 %, tandis que l’effort tranchant maximal est supérieur d’environ 17 %, et les deux maxima se déplacent plus près de la surface du sol. Cela signifie que le pieu segmenté est globalement moins rigide, mais que la contrainte de flexion dans son fût peut être réduite, permettant potentiellement des sections plus fines ou moins armées si la résistance au cisaillement et la performance du joint sont correctement dimensionnées.

Ce que cela implique pour des fondations plus sûres et plus écologiques

Pour les ingénieurs, ce travail fournit un outil pratique basé sur des formules pour estimer comment des pieux à tête libre et à joints mécaniques se déformeront et partageront les charges avec le sol lorsqu’ils seront poussés latéralement. Pour les non‑spécialistes, le message est que les fondations empilables et préfabriquées peuvent fonctionner de manière fiable, mais elles sont plus flexibles et déplacent les concentrations de contrainte. Cette flexibilité accrue peut aider à réduire les contraintes de flexion mais augmente les exigences sur la résistance au cisaillement et sur le joint mécanique lui‑même. Les auteurs soulignent que leur modèle convient surtout aux déformations modestes et aux sols homogènes, et ils appellent à des essais physiques et à des modèles de sol plus avancés pour affiner les conceptions futures. Néanmoins, l’étude constitue une avancée vers des fondations non seulement plus faciles et plus propres à construire, mais aussi mieux comprises face aux efforts latéraux que doivent supporter les structures réelles.

Citation: Liu, T., Zhang, Q., Sun, C. et al. Response of free-headed segmental piles with mechanical joints to lateral loading. Sci Rep 16, 5991 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36214-w

Mots-clés: pieux segmentés, joints mécaniques, chargement latéral, interaction sol‑structure, conception des fondations