Fondations sur permafrost : le défi de la construction à Yamal LNG

Les fondations de l’usine Yamal LNG font appel à une ingénierie unique, dédiée aux sols de type permafrost. La capacité portante des fondations sur pieux doit en effet résister sur le long terme à des charges extrêmes pour garantir la stabilité des installations industrielles. Le point sur les solutions techniques mises en œuvre.

Le GNL

Une énergie d’avenir

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Deux impératifs guident les travaux des fondations : le positionnement optimal des pieux et le contrôle permanent de la température.

Yamal LNG est un projet lancé fin 2013 par Total, l’opérateur Novatek, CNPC et Silk Road Fund. Son développement valorise les ressources gazières du champ de South Tambey, un site reculé de l’Arctique russe, situé sur la péninsule de Yamal. Le déploiement d’installations industrielles dans cette zone très proche du cercle polaire s’effectue dans des conditions particulièrement difficiles. Par froids extrêmes en hiver, la température peut chuter jusqu’à - 50 °C. Le sol, appelé pergélisol en français, plus connu sous le terme anglais de permafrost, est gelé en permanence sur des profondeurs variables pouvant atteindre plus de 400 m. En période de dégel, la couche supérieure dite "active" du permafrost se transforme en boue instable sur près de 2 m d’épaisseur.

Des fondations sur pieux pour des charges extrêmes

La construction de l’usine de liquéfaction de gaz de Yamal LNG sur ce sol particulier nécessite une ingénierie de fondations très spécifique. La solution technique que nous avons retenue consiste à ancrer des pieux de diamètre et de profondeur variables dans le permafrost. Ces fondations sont également conçues pour pallier les aléas de variations de portance et de volume de la couche active et assurer la stabilité de l’usine pendant toute la durée de vie du site, soit au moins cinquante ans.

 

Ces solutions adaptées à la zone arctique russe sont maîtrisées depuis des décennies par Novatek et ses partenaires. Elles sont pourtant déployées pour la première fois à une échelle inédite sur le site de Yamal LNG, compte tenu des vastes dimensions des installations et de l’ampleur des charges extrêmes à supporter. 65 000 pieux, dont 38 000 pieux primaires, sont en cours d’installation, afin de garantir la stabilité des trois trains de liquéfaction, des unités de traitement du gaz naturel et des quatre réservoirs de stockage, de 140 000 t chacun (poids maximum en opération).

 

La conception de ces fondations repose sur une analyse géotechnique et géophysique avancée des sols, destinée à cerner au mieux les caractéristiques du terrain et à prévoir son comportement à long terme. Une première campagne, menée sur place entre novembre 2010 et juin 2012, a été complétée courant 2013 par plusieurs autres études d’observation, de prélèvements et d’instrumentation. Notre objectif ? Caractériser avec précision les différents types de sols, leur salinité, leur température et leur teneur en glace afin d’établir des paramètres fiables sur leur comportement dans la durée.

  • Les fondations de l’usine Yamal LNG font appel à une ingénierie particulière et dédiée aux sols de type permafrost.
  • 65 000 pieux, dont 38 300 pieux primaires, ont été installés afin de garantir la stabilité de l’ensemble du complexe de liquéfaction.
  • 38 300 pieux d’appui primaires s’enfonceront de 10 m à 28 m de profondeur et auront de 273 mm ou 530 mm de diamètre.
  • Deux impératifs guident les travaux : le positionnement optimal des pieux et le contrôle permanent de la température.
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    La qualité d’exécution lors de la mise en place des pieux primaires permettra d’assurer la capacité portante des fondations.
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Études du fluage du sol

Sur le site de Yamal LNG, les sols sont hétérogènes, constitués d’argile, de limon et de sable. Leur salinité augmente à proximité des rives du fleuve Ob, atteignant 20 ppt (part per thousand ou ‰). Leur contenu en glace est plus important dans les cinq premiers mètres sous la surface, qui comportent également des poches salines non gelées, les cryopegs.

 

Tous ces paramètres sont décisifs dans l’étude du fluage des sols, un phénomène physique caractérisé par une déformation irréversible différée d’un matériau soumis à une contrainte constante. Si les valeurs de fluage dans le permafrost sont renseignées dans la littérature scientifique, elles ne sont pas toutes validées ni même parfois estimées, en particulier pour les sols salins. Nous avons mené avec nos partenaires plus de 130 tests de déformation uniaxiale en laboratoire, sur onze types de sols distincts. Ils ont été complétés par des essais in situ de charges statiques sur pieux, en compression, en traction et en cisaillement. Ces tests sur échantillons et ces essais nous ont permis d’établir des paramètres de tassement et de fluage pour l’ensemble des sols représentatifs situés sous l’usine.

Détermination de la capacité portante et dimensionnement des pieux

Cette caractérisation a servi de base pour déterminer la capacité de portance, le potentiel de déformation à long terme et le positionnement des pieux dans le permafrost, en fonction des spécifications de l’usine. Le choix des méthodes de calcul a été fondamental pour permettre une prise en compte la plus exhaustive possible des différents paramètres.

 

Afin d’y parvenir, Yamal LNG (Novatek, Total, CNPC et Silk Road Fund) ont synthétisé les méthodes et les normes utilisées par les pays reconnus pour leur savoir-faire en modélisation géomécanique sur permafrost : la Russie, le Canada et les États-Unis. Les calculs ont été régis par une loi de distribution de contrainte et de fluage associant taux de déplacement et sollicitation du pieu en adhérence dans des sols gelés contenant une proportion plus ou moins importante de glace. Le taux de déformation spécifique des pieux en environnement salin suit les recommandations américaines, compte tenu de l’absence de directives russes à ce sujet, et repose sur les paramètres établis à partir des résultats de tests en laboratoire. Le dimensionnement du système de fondations spéciales sur pieux a été achevé en juin 2014.

Des fondations adaptées à la construction modulaire

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10 000 chevêtres relieront entre eux certains groupes de pieux.

Pour limiter les interventions par grand froid, l’usine est construite à partir de modules préfabriqués, acheminés directement par bateau. L’ingénierie d’assemblage sur les fondations présente des spécificités techniques remarquables. Une fois installés, certains groupes de pieux sont reliés entre eux par un chevêtre (ou tête de pieu).

10 000 chevêtres préfabriqués sont clavés sur un ensemble de pieux pour soutenir les colonnes de ces modules et répartir leur charge sur les pieux constitutifs de leurs fondations. Certains chevêtres préfabriqués peuvent regrouper jusqu’à 10 pieux.

Les chevêtres sont préfabriqués avec des réservations permettant de les enfiler sur les têtes des pieux installés au préalable. La connexion entre les chevêtres et les pieux est assurée par le coulage dans les réservations de béton à très faible retrait. Les chevêtres sont conçus pour affleurer le niveau fini des platesformes, autorisant ainsi la circulation des transporteurs modulaires autopropulsés (SPMT, ou Self Propelled Modular Transport) utilisés pour l’acheminement et l’installation des modules sur leurs fondations.

Un système de réfrigération du sol indispensable

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Le thermosiphon permet de maintenir une température du sol en deçà de - 4 °C minimum.

28 000 thermosiphons sont positionnés sur les pieux primaires, le plus près possible des chevêtres.

L’installation de thermosiphons permet d’assurer le regel du permafrost potentiellement altéré par les travaux de forage et par la prise du coulis de ciment lors de la réalisation des pieux. Leur mise en place permet également de compenser le transfert de chaleur dû aux activités de construction et d’exploitation de l’usine, en conservant une température qui garantit la pleine capacité de portance calculée pour les pieux, fixée à un maximum de - 4 °C pour la durée d’exploitation de l’usine.

 

La performance des thermosiphons installés pour les fondations dites "primaires" de l’usine devrait même permettre d’aller au-delà de cette spécification minimale et de maintenir une température du sol en deçà de - 4 °C minimum, comme l’atteste par exemple la courbe d’évolution de la température des fondations des LNG Tank. Cette courbe met en lumière l’apport essentiel des thermosiphons pour le refroidissement du sol : diminution jusqu’à - 14 °C en un an et demi, à comparer au - 3 ou - 4 °C durant la construction des fondations et avant leur installation.

Cette marge de sécurité prend en compte les effets à venir du réchauffement climatique, qui devrait entraîner une augmentation de 50% de la couche active du permafrost en conditions naturelles (hors remblai isolant et sans thermostabilisation) d’ici 2050, selon le modèle UKTR d’Anisimov (1997).

Thermosyphon system used for the foundations of the LNG tanks

  • A thermosyphon system is a cooling device that lowers the temperature of the soil by circulating a heat transfer fluid contained in a pipe inserted into the ground.
  • There are several different thermosyphon systems, known as active or passive systems depending on whether an external energy source is needed.
  • The passive thermosyphon systems chosen for the project are both cost-effective, as they function without the need for external energy, and reliable, as they require almost no maintenance.
  • Their operating principle is based on the natural circulation of a biphasic heat transfer fluid that is contained in the thermosyphon system. When the temperature difference between the ambient air and the ground is sufficient, the gaseous phase condenses and is brought down by gravity to the lower part of the thermosyphon system while the warmer liquid phase vaporizes.

Le respect de tolérances strictes lors de la construction

La mise en place des pieux primaires dans le permafrost est une phase délicate. Deux impératifs guident les travaux, du forage au monitoring : le positionnement optimal du pieu et le contrôle permanent de la température des pieux et du ciment, afin de limiter les risques de dégel par transfert thermique.

Des travaux de précision

La qualité d’exécution rigoureuse lors de la mise en place des pieux primaires dans le permafrost est un facteur clé permettant d’assurer la capacité portante des fondations, essentielle pour l’usine et la réalisation dans les délais du planning de construction.

  • Profondeur du forage : elle ne doit pas excéder la profondeur requise de plus de 300 mm.
  • Diamètre maximum du trou : il ne peut dépasser le diamètre du pieu de plus de 150 mm.
  • Axe de déviation du pieu lors de sa mise en place : il doit être inférieur à 2% de la verticale.
  • Travaux d’excavation : ils doivent être protégés par une plateforme de sable d’un mètre d’épaisseur minimum et effectués uniquement pendant la saison froide afin de limiter le réchauffement du sol et de faciliter les opérations de forage.
  • Température du mélange de ciment et de sable lors de son coulage pour fixer le pieu dans le permafrost : + 10 °C minimum à + 15 °C maximum en été, + 10 °C minimum à + 20 °C maximum pendant les autres saisons. La température du sol doit ensuite être contrôlée avant l’installation des modules et la construction des ouvrages.

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