24 – Tour penchée de Pise

Pathologie de fondation

Étude de cas : Tour penchée de Pise

Les travaux de construction de la Tour de Pise, la tour la plus penchée, construite comme Campaganile de la Cathédrale Pisane, ont commencé en août 1173 pour continuer pendant 5 ans. En 1178, la construction qui avait atteint le 4e étage fut interrompue; à ce moment le poids total de la Tour était de 9480 tonnes. Cent ans plus tard, en 1272, la construction fut reprise et en 1278, elle atteint le 7e étage, avec un poids total de 13728 tonnes. Après une 2e phase d’arrêt, c’est en 1360, qu’a eu lieu la construction de l’étage de clocher. La photo suivante illustre la cédule de construction. La tour, de forme cylindrique, a un diamètre de 19,6 m à sa base avec une hauteur totale de 58,4 m. La base des fondations de la Tour est située à 2,0 m de profondeur. Le poids total de la Tour est d’environ 14453 tonnes, ce qui permet de calculer une contrainte d’environ 480 kPa à la base de la Tour.  Selon certains experts, la stabilité de la tour penchée de Pise est due, entre autres aux arrêts des travaux lors de sa construction; si la tour avait été construite en une seule étape, elle aurait probablement été effondrée à cause de dépassement de capacité portante. Le fait d’arrêter les travaux, pour construire par étapes, a permis aux sols de fondation d’être consolidée sous les charges appliquées. Ce qui est équivalent à la technique de construction par étapes.

Durant les 800 ans de l’existence de la tour de Pise, la partie sud de la Tour a subi un tassement d’environ 2,8 m, tandis que la partie nord a subi un tassement d’environ 0,8 m, résultant avec un tassement différentiel de 2,0 m et une inclinaison de 5°. 11′ et 20 » (Mitchell et al, 1977). La majeure partie de l’inclinaison de la Tour s’est produite pendant les 200 premières années. Compte tenu de l’attraction touristique, la Tour inclinée de Pise constitue un des cas de pathologie de fondation les plus connue dans le monde.

Plusieurs ingénieurs, comme Terzaghi (1925); Terracina (1962). Mitchel et al (1977)) ont analysé le tassement des sols de fondation de la Tour et ont proposé des solutions de stabilisation. Dans les années 1970, l’inclinaison de la Tour avait atteint un niveau alarmant, incitant le gouvernement italien à mettre en place un groupe international pour une analyse poussée de la stabilité de la tour et de sa fondation.

Mitchell et al, (1977) ont examiné les données géotechniques disponibles, Guidi (1971). Les figures suivantes illustrent la configuration des forages réalisés et la stratigraphie des sols de fondation. Les forages les plus profonds ont atteint 60 m, sans atteindre le roc. Les travaux de reconnaissance réalisés ont consisté en la réalisation des forages, des profils scissométriques, des sondages au pénétromètre au Cône, des échantillons intacts, etc. Les sols de fondation sur les 35 premiers mètres sont composés de trois horizons A, B et C:

  1. L’horizon A, d’un épaisseur d’environ 10 m, est composé de couches de sables, silt et argiles, ayant des propriétés physiques et mécaniques différentes.;
  2. L’horizon B, d’une épaisseur d’environ 30 m, est composé de quatre unités stratigraphiques distinctes :

I.        Argile supérieure d’une épaisseur de 11 m;

II.        Argile intermédiaire d’une épaisseur de ±4 m;

III.        Couche de sable intermédiaire d’une épaisseur de ±2,5 m;

IV.        Argile inférieure d’une épaisseur de ±13 m;

V.        L’unité C, interceptée vers ±40 m de profondeur, est composé du sable silteux, dense, qui s’étend à plus de 60 m de profondeur.

Il y a lieu de noter que les frontières entre les différentes unités sont plus ou moins horizontales, sauf la dépression laissée sous la tour à cause du tassement des sols de fondation. Ainsi, l’inclinaison de la Tour n’est pas due à la variation de l’épaisseur du dépôt d’argile.

Bien que le foyer du tassement total de la tour est l’horizon B, la cause de l’inclinaison est située dans l’horizon A. Les résistances en pointe sont de l’ordre de 1500 à 2000 kPa du côté nord, comparativement à 1000 kPa pour le côté sud.  Dans l’horizon A, les 7 premiers mètres sont plus compressibles du côté sud comparativement au côté nord, ce qui aurait causé, selon Mitchell et al. (1977), le tassement différentiel initial de la Tour.

Le tableau 1 résume  les propriétés du dépôt d’argile, selon Mitchell et a (1977).

Le tableau 2 résume les coefficients de sécurité au-dessus du dépôt d’argile.

Configuration des forages réalisés (Guidi, 1971)

Vue en élévation de la Tour (Mitchell, al., 1977).

 

Stratigraphie des sols de fondation de la Tour de Pise, Mitchell, al., 1977.

 

Profils scissométriques et résistances au cisaillement de l’argile de l’horion B, Mitchell et al, 1977.

 

Profils de résistance en pointe sous le côté nord (a) et sud (b) de la Tour, Mitchell et al. 1977.

 

Propriétés de consolidation du dépôt d’argile, Mitchell et al. 1977.

Comparaison des tassements observés et calculés, Mitchell et al. (1977).

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