Dans la plupart des régions du nord des États-Unis, le sol gèle pendant les mois d'hiver à une profondeur de plusieurs pieds. Un tel gel du sol peut entraîner le soulèvement des bâtiments situés au-dessus ou à côté de celui-ci. Les forces impliquées peuvent être très destructrices pour les structures faiblement chargées et causer de graves problèmes dans les plus importantes.
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L'augmentation de volume qui se produit lorsque l'eau se transforme en glace a d'abord été considérée comme la cause du soulèvement par le gel, mais il est maintenant reconnu que le phénomène connu sous le nom de ségrégation de la glace est le mécanisme de base.
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L'eau est tirée du sol non gelé vers la zone de congélation où elle se fixe pour former des couches de glace, forçant les particules de sol à se séparer et provoquant un soulèvement de la surface du sol. Sans contrainte physique, il n'y a pas de limite apparente à la quantité de soulèvement qui peut se produire. (Des mouvements de plus de 4 po se développant sous les sous-sols en seulement trois semaines ont été enregistrés.)
Lorsqu'une contrainte sous la forme d'une charge de bâtiment est présente, les pressions de soulèvement peuvent ou non surmonter la contrainte, mais elles peuvent être très élevées: 19 tonnes / pied carré ont été mesurées et un bâtiment à ossature en béton armé de sept étages sur un radeau on a observé que la fondation soulevait plus de 2 po.
Une autre forme d'action du gel, appelée «gel», se produit lorsque le sol gèle à la surface d'une fondation. Les pressions de soulèvement qui se développent à la base de la zone de congélation sont transmises à travers la liaison de gel à la fondation, produisant des forces de soulèvement capables de déplacements verticaux appréciables. S'il est construit en blocs de béton, un mur de sous-sol peut se rompre sous tension et se séparer au niveau d'un joint de mortier horizontal près de la profondeur de pénétration du gel.
Facteurs de contrôle
Pour que l'action du gel se produise, trois conditions de base doivent être remplies: le sol doit être sensible au gel, l'eau doit être disponible en quantité suffisante et les conditions de refroidissement doivent provoquer le gel du sol et de l'eau. Si l'une de ces conditions peut être éliminée, le soulèvement dû au gel ne se produira pas.
La sensibilité au gel est liée à la distribution granulométrique des particules du sol. En général, les sols à gros grains tels que les sables et les graviers ne soulèvent pas, alors que les argiles, les limons et les sables très fins soutiendront la croissance des lentilles de glace même lorsqu'ils sont présents en petites proportions dans les sols grossiers. Si les sols sensibles au gel situés là où ils affecteront les fondations peuvent être enlevés et remplacés par des matériaux plus grossiers, le soulèvement dû au gel ne se produira pas.
L'eau doit être disponible dans le sol non gelé pour se déplacer vers le plan de congélation où se produit la croissance des lentilles de glace. Une nappe phréatique élevée par rapport à l'emplacement des lentilles de glace favorisera donc l'action du gel. Lorsqu'un drainage approprié est prescrit, l'eau peut être empêchée d'atteindre la zone de gel dans les sols sensibles au gel.
La profondeur de congélation est largement déterminée par le taux de perte de chaleur de la surface du sol. Outre les propriétés thermiques du sol, cette perte de chaleur dépend de variables climatiques telles que le rayonnement solaire, la couverture neigeuse, le vent et la température de l'air, qui est la plus importante. Si la perte de chaleur peut être évitée ou réduite, les sols sensibles au gel peuvent ne pas subir de températures de gel.
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Indice de gel et profondeur de gel
Les enregistrements de température de l'air peuvent être utilisés pour mesurer la gravité du gel du sol en utilisant le concept des degrés-jours. (Si la température quotidienne moyenne de l'air est de 31 ° F, ce sera un degré-jour.) «L'indice de congélation» est simplement le total cumulé des degrés-jours de gel pour un hiver donné.
Action de gel et fondations
L'approche conventionnelle de la conception des fondations pour éviter les dommages causés par le gel consiste à placer la fondation au-delà de la profondeur de pénétration maximale prévue du gel afin que le sol sous la surface portante ne gèle pas. Cependant, cette mesure à elle seule n'empêche pas nécessairement les dommages causés par le gel si l'excavation est remblayée avec un sol sensible au gel, cela peut entraîner des dommages dus au gel. Les profondeurs auxquelles les fondations doivent être placées sont normalement déterminées par l'expérience locale, telle qu'elle est incorporée dans les règlements du bâtiment, mais en l'absence de telles informations, la corrélation indiquée dans le tableau précédent peut être utilisée.
De par leur nature même, les sols sensibles au gel ne se drainent pas bien, et bien que l'afflux d'eaux souterraines puisse être empêché, la quantité d'eau disponible dans le sol non gelé est souvent suffisante pour produire un soulèvement significatif. Dans la mesure du possible, il est recommandé d'enlever les sols sensibles au gel et de les remplacer par un matériau granulaire grossier facile à drainer. De bonnes pratiques de drainage doivent également être suivies, y compris la mise en place de dalles de drainage autour du périmètre des fondations.
Importance du drainage
Un bon drainage est important pour toute fondation et le FPSF ne fait pas exception. L'isolation fonctionne mieux dans des conditions de sol plus sèches.
Assurez-vous que l'isolation du sol est adéquatement protégée contre l'humidité excessive grâce à des pratiques de drainage saines, telles que la pente de la pente loin du bâtiment. L'isolation doit toujours être placée au-dessus du niveau de la nappe phréatique. Une couche de gravier, de sable ou de matériau similaire est recommandée pour un drainage amélioré ainsi que pour fournir une surface lisse pour le placement de toute isolation d'aile horizontale. Une couche de drain d'au moins 6 pouces est requise pour les conceptions FPSF non chauffées. Au-delà de la profondeur de fondation minimale de 12 pouces exigée par les codes du bâtiment, la profondeur de fondation supplémentaire requise par une conception FPSF peut être constituée d'un matériau de remblai compacté et non sensible au gel tel que du gravier, du sable ou de la roche concassée. De plus, l'ajout d'un remblai drainant permet de minimiser ou d'éliminer le potentiel de soulèvement dû au gel
