Caisson (ingénierie)

En géotechnique , un caisson ( / ˈ k eɪ s ən , - s ɒ n / ; emprunté au français caisson « boîte », de l'italien cassone « grande boîte », augmentatif de cassa ) est une structure de soutènement étanche utilisée, par exemple, pour travailler sur les fondations d'un pilier de pont , pour la construction d'un barrage en béton , ou pour la réparation de navires ]

Les caissons sont construits de manière à ce que l'eau puisse être pompée, ce qui permet de garder l'environnement de travail sec. Lorsque des piliers sont construits à l'aide d'un caisson ouvert et qu'il n'est pas pratique d'atteindre un sol approprié, des pieux à friction peuvent être enfoncés pour former une sous-fondation appropriée. Ces pieux sont reliés par une dalle de fondation sur laquelle le pilier de la colonne est érigé.

L'ingénierie des caissons est utilisée depuis au moins le 19e siècle, avec trois exemples marquants : le pont Royal Albert (achevé en 1859), le pont Eads (achevé en 1874) et le pont de Brooklyn (achevé en 1883).

Pour installer un caisson en place, il est enfoncé dans de la boue molle jusqu'à ce qu'un matériau de fondation approprié soit trouvé. Bien que le substrat rocheux soit préféré, une boue stable et dure est parfois utilisée lorsque le substrat rocheux est trop profond. Les quatre principaux types de caisson sont le caisson-boîte , le caisson ouvert , le caisson pneumatique et le caisson monolithique .

Un caisson-boîte est une boîte en béton préfabriquée (avec des côtés et un fond) ; il est posé sur des bases préparées. Une fois en place, il est rempli de béton pour faire partie des ouvrages permanents, comme la fondation d'un pilier de pont. Les structures creuses en béton sont généralement moins denses que l'eau, de sorte qu'un caisson-boîte doit être lesté ou ancré pour l'empêcher de flotter jusqu'à ce qu'il puisse être rempli de béton. Parfois, des systèmes d'ancrage élaborés peuvent être nécessaires, comme dans les zones de marée . Des systèmes d'ancrage réglables combinés à un relevé GPS permettent aux ingénieurs de positionner un caisson-boîte avec une précision extrême.

Un caisson ouvert est similaire à un caisson-boîte, sauf qu'il n'a pas de face inférieure. Il convient à une utilisation dans des argiles tendres (par exemple dans certains lits de rivière), mais pas dans des endroits où il peut y avoir de grosses obstructions dans le sol. Un caisson ouvert utilisé dans des sols mous ou des nappes phréatiques élevées, où les excavations en tranchées ouvertes sont peu pratiques, peut également être utilisé pour installer des regards profonds, des stations de pompage et des puits de réception/lancement pour le microtunnelage , le fonçage de tuyaux et d'autres opérations.

Un caisson est coulé par son propre poids, par du béton ou de l'eau lestée placée dessus, ou par des vérins hydrauliques. Le bord d'attaque (ou sabot de coupe ) du caisson est incliné vers l'extérieur à un angle prononcé pour faciliter le fonçage de manière verticale ; il est généralement en acier. Le sabot est généralement plus large que le caisson pour réduire la friction, et le bord d'attaque peut être alimenté en boue de bentonite sous pression , qui gonfle dans l'eau, stabilisant le tassement en remplissant les dépressions et les vides. Un caisson ouvert peut se remplir d'eau pendant le fonçage. Le matériau est excavé par un godet d'excavatrice à benne preneuse sur une grue.

Le sous-sol de la formation peut ne pas être adapté à l'excavation ou à la capacité portante . L'eau dans le caisson (en raison d'une nappe phréatique élevée) équilibre les forces de poussée des sols mous situés en dessous. Si elle est asséchée, la base peut « bouillir » ou « s'écouler », provoquant l'enfoncement du caisson. Pour lutter contre ce problème, des pieux peuvent être enfoncés depuis la surface pour agir comme :

• Murs porteurs , dans la mesure où ils transmettent les charges aux sols plus profonds.
• Ancres, dans la mesure où elles résistent à la flottaison en raison du frottement à l'interface entre leurs surfaces et la terre environnante dans laquelle elles ont été enfoncées.

Les sections de poutres en H (sections de colonnes typiques, en raison de la résistance à la flexion dans tous les axes) peuvent être enfoncées à des angles « ratissés » sur la roche ou d'autres sols plus fermes ; les poutres en H sont laissées étendues au-dessus de la base. Un bouchon en béton armé peut être placé sous l'eau, un processus connu sous le nom de mise en place de béton par trémie . Lorsque le caisson est asséché, ce bouchon agit comme un chapeau de pieu, résistant aux forces ascendantes du sous-sol.

Un caisson monolithique (ou simplement un monolithe ) est plus grand que les autres types de caissons, mais semblable aux caissons ouverts. On trouve souvent de tels caissons dans les murs de quai, où la résistance aux chocs des navires est requise.

Les caissons peu profonds peuvent être ouverts à l'air, tandis que les caissons pneumatiques (parfois appelés caissons pressurisés ), qui pénètrent dans la boue molle , sont des boîtes sans fond scellées au sommet et remplies d'air comprimé pour empêcher l'eau et la boue de pénétrer en profondeur. Un sas permet d'accéder à la chambre. Les ouvriers, appelés sandhogs en anglais américain, déplacent la boue et les débris rocheux (appelés muck ) du bord de l'espace de travail vers une fosse remplie d'eau, reliée par un tube (appelé tube de boue ) à la surface. Une grue à la surface enlève le sol avec une benne preneuse . La pression de l'eau dans le tube équilibre la pression de l'air, l'excès d'air s'échappant par le tube de boue. Le flux d'air sous pression doit être constant pour assurer des changements d'air réguliers pour les ouvriers et éviter un afflux excessif de boue ou d'eau à la base du caisson. Lorsque le caisson touche le substrat rocheux, les sandhogs sortent par le sas et remplissent la boîte de béton, formant ainsi un pilier de fondation solide.

Un caisson pneumatique (à air comprimé) présente l'avantage de fournir des conditions de travail à sec, ce qui est plus adapté à la mise en place du béton. Il est également bien adapté aux fondations pour lesquelles d'autres méthodes pourraient provoquer un tassement des structures adjacentes.

Les ouvriers du bâtiment qui quittent l' environnement pressurisé du caisson doivent décompresser à un rythme qui permet la libération sans symptômes des gaz inertes dissous dans les tissus corporels s'ils veulent éviter la maladie de décompression , une condition identifiée pour la première fois chez les ouvriers du caisson et initialement nommée « maladie du caisson » en reconnaissance du risque professionnel. La construction du pont de Brooklyn , qui a été construit à l'aide de caissons pressurisés, a entraîné la mort de nombreux ouvriers ou des blessures permanentes dues à la maladie du caisson pendant sa construction. Le barotraumatisme des oreilles, des cavités sinusales et des poumons et l'ostéonécrose dysbarique sont d'autres risques.

• Les caissons ont également été utilisés dans l'installation d' ascenseurs hydrauliques où un vérin à un étage est installé sous le niveau du sol.
• Les caissons, nom de code Phoenix , faisaient partie intégrante des ports Mulberry utilisés lors de l' invasion alliée de la Normandie pendant la Seconde Guerre mondiale .

• Caissons d'ascenseurs à bateaux : Le mot caisson est également utilisé comme synonyme de la partie mobile des écluses à caisson , des ascenseurs de canal et des plans inclinés dans lesquels les bateaux et les navires reposent pendant qu'ils sont soulevés d'une élévation de canal à une autre ; l'eau est retenue à l'intérieur du caisson, ou exclue du caisson, selon le principe de fonctionnement respectif.
• Caissons structurels : Caisson est également parfois utilisé comme terme familier pour une structure en béton armé formée en coulant dans une forme cylindrique creuse, généralement en plaçant un coffrage de caisson sous le niveau du sol dans une excavation ouverte et en coulant une fois le remblayage terminé, ou en forant au niveau du sol, bien que cela puisse être problématique avec les caissons profonds, car les excavations non soutenues peuvent s'effondrer avant que le coffrage de caisson puisse être inséré. De cette manière, la terre placée autour du coffrage de caisson vide assure la stabilité et la résistance, ce qui permet de couler le béton avec moins de complications et avec moins de risque d'éclatement du coffrage. Bien que, techniquement, seul le coffrage lui-même soit en fait un caisson, il n'est pas rare que tout pilier en béton coulé sous le niveau du sol soit simplement appelé caisson .
• Systèmes de filtration par ventilation : Le terme caisson est également utilisé pour désigner un boîtier étanche destiné aux filtres de ventilation dans les installations manipulant des matières dangereuses. Le boîtier comporte généralement un compartiment en amont pour un élément de préfiltration et un compartiment en aval pour un élément filtrant à haute efficacité. Il peut comporter plusieurs ensembles de compartiments. Le boîtier est doté de portes d'accès à joint d'étanchéité pour permettre le remplacement des éléments filtrants. Le boîtier est généralement équipé de points de connexion utilisés pour tester l'efficacité des filtres et surveiller les changements de pression différentielle à travers le média filtrant.