Petroleum and natural gas industries — Specific requirements for offshore structures — Part 4: Geotechnical and foundation design considerations

ISO 19901-4:2016 contains provisions for those aspects of geoscience and foundation engineering that are applicable to a broad range of offshore structures, rather than to a particular structure type. Such aspects are: - site and soil characterization; - identification of hazards; - design and installation of shallow foundations supported by the seabed; - design and installation of pile foundations; - soil-structure interaction for auxiliary structures, e.g. subsea production systems, risers and flowlines (guidance given in A.10); - design of anchors for the stationkeeping systems of floating structures (guidance given in A.11). Particular requirements for marine soil investigations are detailed in ISO 19901‑8. Aspects of soil mechanics and foundation engineering that apply equally to offshore and onshore structures are not addressed. The user of this part of ISO 19901 is expected to be familiar with such aspects. ISO 19901‑4 outlines methods developed primarily for the design of shallow foundations with an embedded length (L) to diameter (D) ratio L/D 10 (Clause 8). This part of ISO 19901 does not apply to intermediate foundations with 1

Industries du pétrole et du gaz naturel — Exigences spécifiques relatives aux structures en mer — Partie 4: Bases conceptuelles des fondations

La présente partie de l'ISO 19901 contient les dispositions relatives aux aspects géotechniques et de dimensionnement des fondations qui s'appliquent à une vaste gamme de structures en mer, plutôt qu'à un type particulier de structure. Ces aspects sont les suivants: — caractérisation du site et des sols; — identification des risques; — dimensionnement et installation des fondations superficielles supportées par le sol marin; — dimensionnement et installation des fondations par pieux; — interaction sol-structure pour les structures auxiliaires, par exemple les systèmes de production immergés, les risers (tubes prolongateurs) et les conduites d'écoulement (des indications sont données en A.10); — dimensionnement des ancrages des systèmes de maintien en position des structures flottantes (des indications sont données en A.11). Les exigences particulières relatives aux reconnaissances des sols en mer sont détaillées dans l'ISO 19901‑8. Les aspects de mécanique des sols et de dimensionnement des fondations qui s'appliquent aussi bien aux structures en mer qu'aux structures terrestres ne sont pas couverts. L'utilisateur de la présente partie de l'ISO 19901 est considéré comme familier de ces aspects. L'ISO 19901‑4 décrit les méthodes développées principalement pour le dimensionnement des fondations superficielles avec un rapport entre longueur enfouie (L) et diamètre (D) L/D 10 (Article 8). La présente partie de l'ISO 19901 ne s'applique pas aux fondations intermédiaires avec 1

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Publication Date
14-Jul-2016
Current Stage
9092 - International Standard to be revised
Completion Date
07-Dec-2021
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ISO 19901-4:2016 - Petroleum and natural gas industries -- Specific requirements for offshore structures
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ISO 19901-4:2016 - Petroleum and natural gas industries -- Specific requirements for offshore structures
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Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 19901-4
Second edition
2016-07-15
Petroleum and natural gas
industries — Specific requirements
for offshore structures —
Part 4:
Geotechnical and foundation design
considerations
Industries du pétrole et du gaz naturel — Exigences spécifiques
relatives aux structures en mer —
Partie 4: Bases conceptuelles des fondations
Reference number
ISO 19901-4:2016(E)
©
ISO 2016

---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 19901-4:2016(E)

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the requester.
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CH-1214 Vernier, Geneva, Switzerland
Tel. +41 22 749 01 11
Fax +41 22 749 09 47
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www.iso.org
ii © ISO 2016 – All rights reserved

---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 19901-4:2016(E)

Contents Page
Foreword .v
Introduction .vii
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3  Terms and definitions . 2
4 Symbols and abbreviated terms . 4
4.1 General . 4
4.2 Symbols for shallow foundations design . 4
4.3 Symbols for pile foundations design . 7
4.4 Symbols for soil-structure interaction for auxiliary subsea structures, risers
and flowlines .10
4.5 Symbols for design of anchors for stationkeeping systems .11
4.6 Abbreviated terms .12
5  General requirements .13
5.1 General .13
5.2 Design cases and safety factors .14
5.3 Characteristic values of soil properties .14
5.4 Testing and instrumentation .15
6  Geotechnical data acquisition and identification of hazards .16
6.1 General .16
6.2 Shallow geophysical investigation .16
6.3 Geological modelling and identification of hazards .17
6.3.1 General.17
6.3.2 Earthquakes .17
6.3.3 Fault planes .17
6.3.4 Seafloor instability .17
6.3.5 Scour and sediment mobility .18
6.3.6 Shallow gas .18
6.3.7 Seabed subsidence .18
6.4 Carbonate soils .19
7 Design of shallow foundations .19
7.1 General .19
7.2 Principles .20
7.2.1 General principles .20
7.2.2 Sign conventions, nomenclature and action reference point .21
7.2.3 Action transfer .21
7.2.4 Idealization of foundation area and the effective area concept .21
7.3 Acceptance criteria and design considerations .22
7.3.1 Action and material factors .22
7.3.2 Use in design . . .22
7.3.3 Special cases .23
7.3.4 Additional design considerations .24
7.3.5 Alternative method of design based on yield surfaces .26
7.3.6 Selection of soil parameter values for design .27
7.4 Stability of shallow foundations .27
7.4.1 Assessment of bearing capacity .27
7.4.2 Assessment of sliding capacity .29
7.4.3 Assessment of torsional capacity .31
7.5 Serviceability (displacements and rotations) .31
7.5.1 General.31
7.5.2 Displacement under static loading.31
7.5.3 Displacement under dynamic and cyclic actions .34
© ISO 2016 – All rights reserved iii

---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 19901-4:2016(E)

7.5.4 Other contributors to foundation settlement .34
7.6 Other design considerations .34
7.6.1 Hydraulic stability .34
7.6.2 Installation, retrieval and removal .34
8 Pile foundation design .35
8.1 Pile capacity for axial compression .35
8.1.1 General.35
8.1.2 Axial pile capacity .36
8.1.3 Skin friction and end bearing in cohesive soils .37
8.1.4 Skin friction and end bearing in cohesionless soils .38
8.1.5 Skin friction and end bearing of grouted piles in rock .40
8.2 Pile capacity for axial tension .41
8.3 Axial pile performance .41
8.3.1 Static axial behaviour of piles .41
8.3.2 Cyclic axial behaviour of piles .41
8.4 Soil reaction for piles under axial compression .41
8.4.1 Axial shear transfer t–z curves .41
8.4.2 End bearing resistance–displacement, Q–z, curve .42
8.5 Soil reaction for piles under lateral actions .44
8.5.1 General.44
8.5.2 Lateral capacity for soft clay .45
8.5.3 Lateral soil resistance–displacement p−y curves for soft clay .45
8.5.4 Lateral capacity for stiff clay .45
8.5.5 Lateral soil resistance–displacement p–y curves for stiff clay .46
8.5.6 Lateral capacity for sand .47
8.5.7 Lateral soil resistance – displacement p–y curves for sand .48
8.6 Pile group behaviour .49
8.6.1 General.49
8.6.2 Axial behaviour .49
8.6.3 Lateral behaviour .50
9 Pile installation assessment .50
9.1 General .50
9.2 Drivability studies .51
9.3 Obtaining required pile penetration .51
9.4 Driven pile refusal .52
9.5 Pile refusal remedial measures .52
9.5.1 Review of hammer performance .52
9.5.2 Re-evaluation of design penetration .52
9.5.3 Modifications to piling procedures .52
9.6 Selection of pile hammer and stresses during driving .53
9.7 Use of hydraulic hammers .53
9.8 Drilled and grouted piles .54
9.9 Belled piles .55
9.10 Grouting pile-to-sleeve connections .55
9.11 Pile installation data .55
9.12 Installation of conductors and shallow well drilling .55
10  Soil-structure interaction for auxiliary subsea structures, risers and flowlines .56
11  Design of anchors for floating structures .56
Annex A (informative) Additional information and guidance .57
Bibliography .175
iv © ISO 2016 – All rights reserved

---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 19901-4:2016(E)

Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity assessment,
as well as information about ISO’s adherence to the World Trade Organization (WTO) principles in the
Technical Barriers to Trade (TBT) see the following URL: www.iso.org/iso/foreword.html.
The committee responsible for this document is ISO/TC 67, Materials, equipment and offshore structures
for the petroleum, petrochemical and natural gas industries, Subcommittee SC 7, Offshore structures.
This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 19901-4:2003), which has been
technically revised.
ISO 19901 consists of the following parts, under the general title Petroleum and natural gas industries —
Specific requirements for offshore structures:
— Part 1: Metocean design and operating considerations
— Part 2: Seismic design procedures and criteria
— Part 3: Topsides structure
— Part 4: Geotechnical and foundation design considerations
— Part 5: Weight control during engineering and construction
— Part 6: Marine operations
— Part 7: Stationkeeping systems for floating offshore structures and mobile offshore units
— Part 8: Marine soil investigations
The following part is under preparation:
— Part 9: Structural integrity management
ISO 19901 is one of a series of standards for offshore structures. The full series consists of the following
International Standards which are relevant to offshore structures for the petroleum and natural gas
industries:
— ISO 19900, Petroleum and natural gas industries — General requirements for offshore structures
© ISO 2016 – All rights reserved v

---------------------- Page: 5 ----------------------
ISO 19901-4:2016(E)

— ISO 19901 (all parts), Petroleum and natural gas industries — Specific requirements for offshore
structures
— ISO 19902, Petroleum and natural gas industries — Fixed steel offshore structures
— ISO 19903, Petroleum and natural gas industries — Fixed concrete offshore structures
— ISO 19904, Petroleum and natural gas industries — Floating offshore structures
— ISO 19905-1, Petroleum and natural gas industries — Site-specific assessment of mobile offshore
units — Part 1: Jack-ups
— ISO/TR 19905-2, Petroleum and natural gas industries — Site-specific assessment of mobile offshore
units — Part 2: Jack-ups commentary and detailed sample calculation
— ISO 19905-3, Petroleum and natural gas industries — Site specific assessment of mobile offshore
units — Part 3: Floating units (under preparation)
— ISO 19906, Petroleum and natural gas industries — Arctic offshore structures
Other ISO standards can have implications for the geotechnical design of foundations for offshore
structures, in particular:
— ISO 13623 (all parts), Petroleum and natural gas industries — Pipeline transportation systems
— ISO 13628 (all parts), Petroleum and natural gas industries — Design and operation of subsea
production systems
vi © ISO 2016 – All rights reserved

---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 19901-4:2016(E)

Introduction
The International Standards for offshore structures, ISO 19900 to ISO 19906, constitute a common basis
covering those aspects that address design requirements and assessments of all offshore structures
used by the petroleum and natural gas industries worldwide. Through their application, the intention
is to achieve reliability levels appropriate for manned and unmanned offshore structures, whatever the
type of structure and the nature of the materials used.
It is important to recognize that structural integrity is an overall concept comprising models for
describing actions, structural analyses, design rules, safety elements, workmanship, quality control
procedures and national requirements, all of which are mutually dependent. The modification of one
aspect of design in isolation can disturb the balance of reliability inherent in the overall concept or
structural system. The implications involved in modifications, therefore, need to be considered in
relation to the overall reliability of all offshore structural systems.
For foundations, some additional considerations apply. These include the time, frequency and rate at
which actions are applied, the method of foundation installation, the properties of the surrounding soil,
the overall behaviour of the seabed, effects from adjacent structures and the results of drilling into the
seabed. All of these, and any other relevant information, need to be considered in relation to the overall
reliability of the foundation.
These International Standards are intended to provide wide latitude in the choice of structural
configurations, materials and techniques without hindering innovation. The design practice for the
foundations of offshore structures has proved to be an innovative and evolving process over the years.
This evolution is expected to continue and is encouraged. Therefore, circumstances can arise when the
procedures described herein or in ISO 19900 to ISO 19906 (or elsewhere) are insufficient on their own
to ensure that a safe and economical foundation design is achieved.
Seabed soils vary. Experience gained at one location is not necessarily applicable at another, and extra
caution is necessary when dealing with unconventional soils or unfamiliar foundation concepts. Sound
engineering judgment is therefore necessary in the use of this part of ISO 19901.
For an offshore structure, the action effects at the interface between the structure’s subsystem and
the foundation’s subsystem(s) are internal forces, moments and deformations. When addressing
the foundation’s subsystem(s) in isolation, these internal forces, moments and deformations can be
considered as actions on the foundation’s subsystem(s) and this approach is followed in this part of
ISO 19901.
Some background to and guidance on the use of this part of ISO 19901 is provided for information in
Annex A. Guidance on foundations in carbonate soils is provided for information in A.6.4, but there is, as
yet, insufficient knowledge and understanding of such soils to produce normative requirements.
In this part of ISO 19901, in accordance with the latest edition of the ISO/IEC Directives, Part 2, the
following verbal forms are used:
— ‘shall’ and ‘shall not’ are used to indicate requirements strictly to be followed in order to comply
with the document and from which no deviation is permitted;
— ‘should’ and ‘should not’ are used to indicate that among several possibilities one is recommended
as particularly suitable, without mentioning or excluding others, or that a certain course of action is
preferred but not necessarily required, or that (in the negative form) a certain possibility or course
of action is deprecated but not prohibited;
— ‘may’ and ‘need not’ are used to indicate a course of action permissible within the limits of the
document;
— ‘can’ and ‘cannot’ are used for statements of possibility and capability, whether material, physical
or causal.
© ISO 2016 – All rights reserved vii

---------------------- Page: 7 ----------------------
INTERNATIONAL STANDARD ISO 19901-4:2016(E)
Petroleum and natural gas industries — Specific
requirements for offshore structures —
Part 4:
Geotechnical and foundation design considerations
1 Scope
This part of ISO 19901 contains provisions for those aspects of geoscience and foundation engineering
that are applicable to a broad range of offshore structures, rather than to a particular structure type.
Such aspects are:
— site and soil characterization;
— identification of hazards;
— design and installation of shallow foundations supported by the seabed;
— design and installation of pile foundations;
— soil-structure interaction for auxiliary structures, e.g. subsea production systems, risers and
flowlines (guidance given in A.10);
— design of anchors for the stationkeeping systems of floating structures (guidance given in A.11).
Particular requirements for marine soil investigations are detailed in ISO 19901-8.
Aspects of soil mechanics and foundation engineering that apply equally to offshore and onshore
structures are not addressed. The user of this part of ISO 19901 is expected to be familiar with such
aspects.
ISO 19901-4 outlines methods developed primarily for the design of shallow foundations with an
embedded length (L) to diameter (D) ratio L/D < 1 (Clause 7) and relatively long and flexible pile
foundations with L/D > 10 (Clause 8). This part of ISO 19901 does not apply to intermediate foundations
with 1 < L/D < 10. Such intermediate foundations, often known as ‘caisson foundations’, comprise either
shallow foundations with skirts penetrating deeper into the seabed than the width of the foundation,
or shorter, more rigid and larger diameter piles than those traditionally used for founding offshore
structures. The design of such foundations can require specific analysis methods; it is important
that any extrapolation from the design methods described in this part of ISO 19901 to intermediate
foundations be treated with care and assessed by a geotechnical specialist.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, a
...

DRAFT INTERNATIONAL STANDARD
ISO/DIS 19901-4
ISO/TC 67/SC 7 Secretariat: BSI
Voting begins on: Voting terminates on:
2015-01-22 2015-04-22
Petroleum and natural gas industries — Specific
requirements for offshore structures —
Part 4:
Geotechnical and foundation design considerations
Industries du pétrole et du gaz naturel — Exigences spécifiques relatives aux structures en mer —
Partie 4: Bases conceptuelles des fondations
ICS: 75.180.10
ISO/CEN PARALLEL PROCESSING
This draft has been developed within the International Organization for
Standardization (ISO), and processed under the ISO lead mode of collaboration
as defined in the Vienna Agreement.
This draft is hereby submitted to the ISO member bodies and to the CEN member
bodies for a parallel five month enquiry.
Should this draft be accepted, a final draft, established on the basis of comments
received, will be submitted to a parallel two-month approval vote in ISO and
THIS DOCUMENT IS A DRAFT CIRCULATED
formal vote in CEN.
FOR COMMENT AND APPROVAL. IT IS
THEREFORE SUBJECT TO CHANGE AND MAY
NOT BE REFERRED TO AS AN INTERNATIONAL
STANDARD UNTIL PUBLISHED AS SUCH.
To expedite distribution, this document is circulated as received from the
IN ADDITION TO THEIR EVALUATION AS
committee secretariat. ISO Central Secretariat work of editing and text
BEING ACCEPTABLE FOR INDUSTRIAL,
composition will be undertaken at publication stage.
TECHNOLOGICAL, COMMERCIAL AND
USER PURPOSES, DRAFT INTERNATIONAL
STANDARDS MAY ON OCCASION HAVE TO
BE CONSIDERED IN THE LIGHT OF THEIR
POTENTIAL TO BECOME STANDARDS TO
WHICH REFERENCE MAY BE MADE IN
Reference number
NATIONAL REGULATIONS.
ISO/DIS 19901-4:2014(E)
RECIPIENTS OF THIS DRAFT ARE INVITED
TO SUBMIT, WITH THEIR COMMENTS,
NOTIFICATION OF ANY RELEVANT PATENT
RIGHTS OF WHICH THEY ARE AWARE AND TO
©
PROVIDE SUPPORTING DOCUMENTATION. ISO 2014

---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO/DIS 19901-4:2014(E)

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written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of
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Published in Switzerland
ii © ISO 2014 – All rights reserved

---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO/DIS 19901-4
Contents
Foreword . vii
Introduction . ix
1 Scope .1
2 Normative references .1
3 Terms and definitions .2
4 Symbols and abbreviated terms .4
4.1 General .4
4.2 Symbols for shallow foundations design .4
4.3 Symbols for pile foundations design.7
4.4 Symbols for soil–structure interaction for auxiliary subsea structures, risers and
flowlines . 10
4.5 Symbols for design of anchors for mooring systems . 11
4.6 Abbreviated terms . 12
5 General requirements . 13
5.1 General . 13
5.2 Design situations and safety factors . 14
5.2.1 Design cases for fixed steel structures . 14
5.2.2 Design cases for anchors for stationkeeping systems for floating structures . 14
5.3 Characteristic values of soil properties . 14
5.4 Testing and instrumentation . 15
6 Geotechnical data acquisition and identification of hazards . 15
6.1 General . 15
6.2 Shallow geophysical investigation . 16
6.3 Geological modelling and identification of hazards . 17
6.3.1 General . 17
6.3.2 Earthquakes . 17
6.3.3 Fault planes . 17
6.3.4 Seafloor instability . 17
6.3.5 Scour and sediment mobility . 18
6.3.6 Shallow gas . 18
6.3.7 Seabed subsidence . 18
6.4 Geotechnical investigation . 19
6.5 Carbonate soils . 19
7 Design of shallow foundations . 19
7.1 General . 19
7.2 Principles . 20
7.2.1 General principles. 20
7.2.2 Sign conventions, nomenclature and action reference point . 20
7.2.3 Action transfer . 21
7.2.4 Idealization of foundation area and the effective width concept . 21
7.3 Acceptance criteria and design considerations . 21
7.3.1 Action and material factors . 21
7.3.2 Use in design . 22
7.3.3 Special cases . 24
7.3.4 Additional design considerations . 24
7.3.5 Alternative method of design based on yield surfaces . 26
7.3.6 Selection of soil parameter values for design . 27
7.4 Stability of shallow foundations . 27
7.4.1 Assessment of bearing capacity . 27
iv © ISO 2014 – All rights reserved

---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO/DIS 19901-4
7.4.2 Assessment of sliding capacity . 29
7.4.3 Assessment of torsional capacity . 30
7.5 Serviceability (displacements and rotations) . 31
7.5.1 General . 31
7.5.2 Displacement under static loading . 31
7.5.3 Displacement under cyclic (dynamic) loading . 33
7.5.4 Other contributors to foundation settlement. 34
7.6 Other design considerations . 34
7.6.1 Hydraulic stability . 34
7.6.2 Installation, retrieval and removal . 34
8 Pile foundation design . 35
8.1 Pile capacity for axial compression . 35
8.1.1 General . 35
8.1.2 Axial pile capacity . 36
8.1.3 Skin friction and end bearing in cohesive soils . 36
8.1.4 Skin friction and end bearing in cohesionless soils . 38
8.1.5 Skin friction and end bearing of grouted piles in rock . 40
8.2 Pile capacity for axial tension . 41
8.3 Axial pile performance . 41
8.3.1 Static axial behaviour of piles . 41
8.3.2 Cyclic axial behaviour of piles . 41
8.4 Soil reaction for piles under axial compression . 41
8.4.1 Axial shear transfer t–z curves . 41
8.4.2 End bearing resistance–displacement, Q–z, curve . 42
8.5 Soil reaction for piles under lateral actions . 44
8.5.1 General . 44
8.5.2 Lateral capacity for soft clay . 45
8.5.3 Lateral soil resistance–displacement p−y curves for soft clay . 45
8.5.4 Representative lateral capacity for stiff clay . 45
8.5.5 Lateral soil resistance–displacement p–y curves for stiff clay . 45
8.5.6 Representative lateral capacity for sand . 46
8.5.7 Lateral soil resistance – displacement p–y curves for sand . 47
8.6 Pile group behaviour . 48
8.6.1 General . 48
8.6.2 Axial behaviour . 48
8.6.3 Lateral behaviour . 48
8.6.4 Resistance factors . 49
9 Pile installation assessment . 49
9.1 General . 49
9.2 Drivability studies . 49
9.3 Obtaining required pile penetration . 50
9.4 Driven pile refusal . 50
9.5 Pile refusal remedial measures . 51
9.5.1 Review of hammer performance . 51
9.5.2 Re-evaluation of design penetration . 51
9.5.3 Modifications to piling procedures . 51
9.6 Selection of pile hammer and stresses during driving . 52
9.7 Use of hydraulic hammers. 52
9.8 Drilled and grouted piles . 53
9.9 Belled piles . 53
9.10 Grouting pile-to-sleeve connections . 54
9.11 Pile installation data . 54
9.12 Installation of conductors and shallow well drilling . 55
10 Soil–structure interaction for auxiliary subsea structures, risers and flowlines . 55
11 Design of anchors for floating structures . 56
Annex A (informative) Additional information and guidance . 57
A.1 Scope . 57
A.2 Normative references . 57
A.3 Terms and definitions . 57
© ISO 2014 – All rights reserved v

---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO/DIS 19901-4
A.4 Symbols and abbreviated terms . 57
A.5 General requirements . 57
A.5.1 General . 57
A.5.2 Design situations and safety factors . 57
A.5.3 Characteristic values of soil properties . 59
A.5.4 Testing and instrumentation . 59
A.6 Geotechnical data acquisition and identification of hazards . 59
A.6.1 General . 59
A.6.2 Shallow geophysical investigation . 59
A.6.3 Geological modelling and identification of hazards . 60
A.6.4 Geotechnical investigation . 62
A.6.5 Carbonate soils . 62
A.7 Design of shallow foundations . 64
A.7.1 General . 64
A.7.2 Principles . 64
A.7.3 Acceptance criteria and design considerations . 69
A.7.4 Stability of shallow foundations . 75
A.7.5 Serviceability (displacements and rotations) . 82
A.7.6 Other design considerations . 83
A.8 Pile foundation design . 85
A.8.1 Pile capacity for axial compression . 85
A.8.2 Pile capacity for axial tension . 99
A.8.3 Axial pile performance . 99
A.8.4 Soil reaction for piles under axial compression . 102
A.8.5 Soil reaction for piles under lateral actions . 103
A.8.6 Pile group behaviour . 104
A.9 Pile installation assessment . 105
A.9.1 General . 105
A.9.2 Drivability studies . 105
A.9.3 Obtaining required pile penetration . 105
A.9.4 Driven pile refusal . 105
A.9.5 Driven pile refusal measures . 106
A.9.6 Selection of pile hammer and stresses during driving . 106
A.9.7 Use of hydraulic hammers . 106
A.9.8 Drilled and grouted piles . 106
A.9.9 Belled piles . 106
A.9.10 Grouting pile-to-sleeve connections . 106
A.9.11 Pile installation data . 106
A.9.12 Installation of conductors and shallow well drilling . 107
A.10 Soil–structure interaction for auxiliary subsea structures, risers and flowlines . 107
A.10.1 General . 107
A.10.2 Geotechnical investigation . 107
A.10.3 Foundations for manifolds and subsea production structures . 108
A.10.4 Geotechnical design for steel catenary risers . 108
A.10.5 Geotechnical design for top tension risers . 115
A.10.6 Foundation design for riser towers . 119
A.10.7 Geotechnical design for flowlines and pipelines . 121
A.11 Design of anchors for floating structures . 125
A.11.1 General . 125
A.11.2 Geotechnical investigation . 125
A.11.3 Anchor types . 126
A.11.4 Geotechnical design of drag anchors . 133
A.11.5 Geotechnical design of anchor piles . 143
A.11.6 Geotechnical design of plate anchors . 157
A.11.7 Geotechnical design of other types of anchors . 162
A.11.8 Test loading of anchors . 167
Bibliography . 170

vi © ISO 2014 – All rights reserved

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ISO/DIS 19901-4
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are described
in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the different types of
ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the editorial rules of the
ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of any patent
rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or on the ISO list of
patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO-specific terms and expressions related to conformity assessment,
as well as information about ISO's adherence to the WTO principles in the Technical Barriers to Trade (TBT)
see the following URL: Foreword - Supplementary information
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the memb
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 19901-4
Deuxième édition
2016-07-15
Industries du pétrole et du gaz
naturel — Exigences spécifiques
relatives aux structures en mer —
Partie 4:
Bases conceptuelles des fondations
Petroleum and natural gas industries — Specific requirements for
offshore structures —
Part 4: Geotechnical and foundation design considerations
Numéro de référence
ISO 19901-4:2016(F)
©
ISO 2016

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ISO 19901-4:2016(F)

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ISO 19901-4:2016(F)

Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vii
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3  Termes et définitions . 2
4 Symboles et abréviations . 5
4.1 Généralités . 5
4.2 Symboles relatifs au dimensionnement des fondations superficielles . 5
4.3 Symboles relatifs au dimensionnement des fondations par pieux . 7
4.4 Symboles relatifs à l'interaction sol–structure pour les structures auxiliaires
immergées, les risers et les conduites d'écoulement .10
4.5 Symboles relatifs au dimensionnement des ancres pour les systèmes de maintien
en position des structures flottantes .11
4.6 Abréviations .13
5 Exigences générales .14
5.1 Généralités .14
5.2 Cas de conception et coefficients de sécurité .15
5.3 Valeurs caractéristiques des propriétés du sol .15
5.4 Essais et instrumentation .16
6  Acquisition des données géotechniques et identification des risques géologiques .17
6.1 Généralités .17
6.2 Étude géophysique superficielle .17
6.3 Modélisation géologique et identification des dangers .18
6.3.1 Généralités .18
6.3.2 Séismes .18
6.3.3 Plans de faille .18
6.3.4 Instabilité du fond marin .19
6.3.5 Affouillement et mobilité des sédiments .19
6.3.6 Gaz peu profond .20
6.3.7 Affaissement du sol marin .20
6.4 Sols carbonatés .20
7  Conception des fondations superficielles .20
7.1 Généralités .20
7.2 Principes .22
7.2.1 Principes généraux .22
7.2.2 Conventions en matière de signes, nomenclature et point de référence des
actions .22
7.2.3 Transfert des actions .23
7.2.4 Idéalisation de la surface d'une fondation et concept de surface effective .23
7.3 Critères d'acceptation et considérations relatives à la conception .23
7.3.1 Coefficients d'action et de matériau.23
7.3.2 Utilisation en conception .24
7.3.3 Cas particuliers . .25
7.3.4 Considérations supplémentaires relatives à la conception .25
7.3.5 Autre méthode de conception fondée sur les surfaces de rupture .29
7.3.6 Choix des valeurs des paramètres du sol pour la conception .29
7.4 Stabilité des fondations superficielles .30
7.4.1 Évaluation de la capacité portante .30
7.4.2 Évaluation de la capacité de glissement .32
7.4.3 Évaluation de la capacité de torsion .33
7.5 Aptitude au service (déplacements et rotations) . .34
7.5.1 Généralités .34
© ISO 2016 – Tous droits réservés iii

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ISO 19901-4:2016(F)

7.5.2 Déplacement sous l'effet de charges statiques .34
7.5.3 Déplacement sous l’effet d’actions dynamiques et cycliques .37
7.5.4 Autres éléments contribuant au tassement des fondations .37
7.6 Autres considérations en matière de conception .37
7.6.1 Stabilité hydraulique .37
7.6.2 Installation, récupération et enlèvement .38
8 Dimensionnement des fondations par pieux .38
8.1 Capacité d'un pieu à la compression axiale .38
8.1.1 Généralités .38
8.1.2 Capacité axiale d'un pieu .40
8.1.3 Frottement latéral et résistance de pointe dans des sols cohérents .40
8.1.4 Frottement latéral et résistance de pointe dans les sols non cohérents .42
8.1.5 Frottement latéral et résistance de pointe de pieux cimentés dans la roche .44
8.2 Capacité d'un pieu à la traction axiale .45
8.3 Performance axiale d'un pieu .45
8.3.1 Comportement axial statique des pieux .45
8.3.2 Comportement axial cyclique des pieux .45
8.4 Réaction du sol pour les pieux soumis à une compression axiale .46
8.4.1 Courbe de transfert de cisaillement axial t–z .46
8.4.2 Courbe de résistance de pointe-déplacement, Q–z .46
8.5 Réaction du sol pour les pieux soumis à des actions latérales .48
8.5.1 Généralités .48
8.5.2 Capacité latérale pour de l'argile molle .49
8.5.3 Courbes p−y de résistance latérale du sol–déplacement pour l'argile molle .49
8.5.4 Capacité latérale pour de l'argile raide .50
8.5.5 Courbes p–y de résistance latérale du sol–déplacement pour de l'argile raide .50
8.5.6 Capacité latérale pour le sable .51
8.5.7 Courbes p–y de résistance latérale du sol-déplacement pour le sable .52
8.6 Comportement d'un groupe de pieux .53
8.6.1 Généralités .53
8.6.2 Comportement axial .54
8.6.3 Comportement latéral .54
9 Évaluation de l'installation des pieux .54
9.1 Généralités .54
9.2 Études prévisionnelles de battage .55
9.3 Obtention de la pénétration de pieu requise .56
9.4 Refus de pieu battu .56
9.5 Mesures pour remédier à un refus de pieu .56
9.5.1 Examen des performances du marteau.56
9.5.2 Réévaluation de la pénétration de calcul .56
9.5.3 Modifications des méthodes de battage .57
9.6 Choix du marteau de battage et contraintes pendant le battage .57
9.7 Utilisation de marteaux hydrauliques .58
9.8 Pieux forés-cimentés .59
9.9 Pieux en cloche .59
9.10 Cimentation des raccordements pieu-manchon .60
9.11 Données d'installation des pieux .60
9.12 Installation de tubes conducteurs et démarrage du forage des puits .60
10 Interaction sol–structure pour les structures auxiliaires sous-marines, les risers et
les conduites d'écoulement .61
11  Dimensionnement des ancrages des structures flottantes .61
Annexe A (informative) Additional information and guidance .62
Bibliographie .179
iv © ISO 2016 – Tous droits réservés

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ISO 19901-4:2016(F)

Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www
.iso .org/directives).
L'attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO (voir www .iso .org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation
de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion de l'ISO aux principes de l’Organisation
mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien
suivant: www .iso .org/avant -propos.
Le comité chargé de l'élaboration du présent document est l'ISO/TC 67, Matériel, équipement et structures
en mer pour les industries pétrolière, pétrochimique et du gaz naturel, sous-comité SC 7, Structures en mer.
Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 19901-4:2003), qui a fait l'objet
d'une révision technique.
L'ISO 19901 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Industries du pétrole et du
gaz naturel — Exigences spécifiques relatives aux structures en mer:
— Partie 1: Dispositions océano-météorologiques pour la conception et l'exploitation
— Partie 2: Procédures de conception et critères sismiques
— Partie 3: Superstructures
— Partie 4: Bases conceptuelles des fondations
— Partie 5: Contrôle des poids durant la conception et la fabrication
— Partie 6: Opérations marines
— Partie 7: Systèmes de maintien en position des structures en mer flottantes et des unités mobiles en mer
— Partie 8: Investigations des sols en mer
La partie suivante est en cours d’élaboration:
— Partie 9: Gestion de l'intégrité structurelle
© ISO 2016 – Tous droits réservés v

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ISO 19901-4:2016(F)

L'ISO 19901 fait partie d'une série de normes relatives aux structures en mer. La série complète
comprend les Normes internationales suivantes relatives aux structures en mer pour les industries du
pétrole et du gaz naturel:
— ISO 19900, Industries du pétrole et du gaz naturel — Exigences générales pour les structures en mer
— ISO 19901 (toutes les parties), Industries du pétrole et du gaz naturel — Exigences spécifiques relatives
aux structures en mer
— ISO 19902, Industries du pétrole et du gaz naturel — Structures en mer fixes en acier
— ISO 19903, Industries du pétrole et du gaz naturel — Structures en mer fixes en béton
— ISO 19904, Industries du pétrole et du gaz naturel — Structures en mer flottantes
— ISO 19905-1, Industries du pétrole et du gaz naturel — Évaluation spécifique au site d’unités mobiles en
mer — Partie 1: Plates-formes auto-élévatrices
— ISO/TR 19905-2, Industries du pétrole et du gaz naturel — Évaluation liée au site des unités marines
mobiles — Partie 2: Compléments sur les plates-formes auto-élévatrices
— ISO 19905-3, Industries du pétrole et du gaz naturel — Évaluation spécifique au site d’unités mobiles en
mer — Partie 3: Unités flottantes (en préparation)
— ISO 19906, Industries du pétrole et du gaz naturel — Structures artiques en mer
D'autres normes ISO peuvent avoir des répercussions sur le calcul géotechnique des fondations des
structures en mer, notamment:
— ISO 13623, Industries du pétrole et du gaz naturel — Systèmes de transport par conduites
— ISO 13628 (toutes les parties), Industries du pétrole et du gaz naturel — Conception et exploitation des
systèmes de production immergés
L’Annexe A n’a pas été traduite en français.
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ISO 19901-4:2016(F)

Introduction
Les Normes internationales relatives aux structures en mer, de l'ISO 19900 à l'ISO 19906, constituent
une base commune couvrant les exigences liées à la conception et à l'évaluation de toutes les structures
en mer utilisées dans le monde par les industries du pétrole et du gaz naturel. Leur mise en œuvre a
pour finalité d'atteindre des niveaux de fiabilité appropriés pour les structures en mer habitées ou non,
quels que soient le type de structure et la nature des matériaux utilisés.
Il est important de savoir que l'intégrité structurale est un concept global qui comprend la modélisation
des actions, les analyses structurales, les règles de conception, les aspects liés à la sécurité, la qualité
de l'exécution, ainsi que les procédures de contrôle de la qualité et les réglementations nationales,
ces divers éléments étant interdépendants. La modification d’un aspect isolé des bases conceptuelles
peut avoir, en termes de fiabilité, une incidence sur la conception globale ou sur les performances de la
structure dans son ensemble. Par conséquent, les effets de toute modification apportée à une structure
en mer doivent être considérés par rapport à la fiabilité de l’ensemble du système.
Pour les fondations, des considérations complémentaires sont applicables. Celles-ci comprennent la
durée, la fréquence et la vitesse d’application des actions, la méthode d’installation des fondations, les
propriétés du sol environnant, le comportement global du sol marin, les effets des structures adjacentes
et les résultats du forage dans le sol marin. Tout cela, ainsi que toute autre information applicable, doit
être considéré en relation avec la fiabilité globale de la fondation.
Ces Normes internationales sont conçues pour offrir une grande latitude dans le choix des
configurations, des matériaux et des techniques de construction sans faire obstacle à l’innovation. La
pratique du dimensionnement des fondations pour les structures en mer est un processus innovant
et en continuelle évolution depuis des années. Cette évolution va probablement continuer et est
encouragée. Ainsi, dans certaines circonstances, les procédures décrites dans le présent document ou
dans les Normes internationales ISO 19900 à ISO 19906 (ou ailleurs) peuvent être insuffisantes en elles-
mêmes pour garantir l'obtention d'un dimensionnement de fondation sûr et économique.
Les sols du sol marin varient. L’expérience acquise sur un emplacement peut ne pas être applicable
sur un autre site et des précautions supplémentaires sont requises lorsque l’on a affaire à des sols
non conventionnels ou des concepts de fondation non familiers. Jugement et compétence en études
d’ingénierie sont donc nécessaires lors de l’utilisation de la présente partie de l’ISO 19901.
Pour une structure en mer, les effets des actions à l'interface entre la structure (ou ses sous-systèmes)
et les fondations (ou leurs sous-systèmes) sont composés de forces, moments et déformations internes.
Quand on s’intéresse au(x) sous-système(s) des fondations de manière isolée, ces forces, moments
et déformations internes peuvent être considérés comme des actions sur le(s) sous-système(s) des
fondations et c’est cette approche qui est suivie dans la présente partie de l’ISO 19901.
Des références et des indications sur la manière d’utiliser la présente partie de l’ISO 19901 sont
données pour information dans l'Annexe A. Des recommandations concernant les fondations dans les
sols carbonatés sont données pour information en A.6.4 mais, en l’état actuel, la connaissance et la
compréhension de ces sols sont insuffisantes pour fournir des exigences normatives.
Dans la présente partie de l’ISO 19901, conformément à la dernière édition des Directives ISO/IEC,
Partie 2, les formes verbales suivantes sont utilisées:
— «doit» et «ne doit pas» sont utilisés pour indiquer des exigences devant être rigoureusement
respectées pour se conformer au document et pour lesquelles aucun écart n’est autorisé;
— «il convient de» et «il convient de ne pas» sont utilisés pour indiquer que, parmi plusieurs possibilités,
l’une est recommandée comme étant particulièrement adaptée, sans mentionner ni exclure les
autres possibilités, ou pour indiquer qu’un plan d’action donné est préféré, mais pas nécessairement
exigé, ou que (dans la forme négative) une possibilité ou un plan d’action donné est déconseillé, sans
pour autant être interdit;
— «peut» et «peut ne pas être» sont utilisés pour indiquer un plan d’action admissible dans les limites
du document;
© ISO 2016 – Tous droits réservés vii

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ISO 19901-4:2016(F)

— «peut» et «ne peut pas» sont utilisés pour introduire des notions de possibilité et de capacité, qu'elles
soient matérielles, physiques ou causales.
viii © ISO 2016 – Tous droits réservés

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NORME INTERNATIONALE ISO 19901-4:2016(F)
Industries du pétrole et du gaz naturel — Exigences
spécifiques relatives aux structures en mer —
Partie 4:
Bases conceptuelles des fondations
1 Domaine d'application
La présente partie de l'ISO 19901 contient les dispositions relatives aux aspects géotechniques et de
dimensionnement des fondations qui s'appliquent à une vaste gamme de structures en mer, plutôt qu'à
un type particulier de structure. Ces aspects sont les suivants:
— caractérisation du site et des sols;
— identification des risques;
— dimensionnement et installation des fondations superficielles supportées par le sol marin;
— dimensionnement et installation des fondations par pieux;
— interaction sol-structure pour les structures auxiliaires, par exemple les systèmes de production
immergés, les risers (tubes prolongateurs) et les conduites d'écoulement (des indications sont
données en A.10);
— dimensionnement des ancrages des systèmes de maintien en position des structures flottantes (des
indications sont données en A.11).
Les exigences particulières relatives aux reconnaissances des sols en mer sont détaillées dans
l'ISO 19901-8.
Les aspects de mécanique des sols et de dimensionnement des fondations qui s'appliquent aussi bien
aux structures en mer qu'aux structures terrestres ne sont pas couverts. L'utilisateur
...

Questions, Comments and Discussion

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