ISO 19901-4:2003

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

ISO 19901-4:2003 contains requirements and recommendations 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 characterization, soil and rock characterization, and design and installation of foundations supported by the seabed (shallow foundations) and the identification of hazards. 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 19901-4:2003 is expected to be familiar with such aspects.

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

L'ISO 19901-4:2003 contient les exigences et les recommandations 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 la caractérisation du site, la caractérisation des sols et des roches, le dimensionnement et installation des fondations supportées par le lit océanique (fondations superficielles), et l'identification des risques. 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 l'ISO 19901-4:2003 est considéré comme familier de ces aspects.

General Information

• Status: Withdrawn
• Publication Date: 10-Aug-2003
• Withdrawal Date: 10-Aug-2003
• ICS: 75.180.10 - Exploratory, drilling and extraction equipment
• Technical Committee: ISO/TC 67/SC 7 - Offshore structures
• Drafting Committee: ISO/TC 67/SC 7/WG 10 - Foundations
• Current Stage: 9599 - Withdrawal of International Standard
• Start Date: 15-Jul-2016
• Completion Date: 13-Dec-2025

Relations

• Revised: ISO 19901-4:2016 - Petroleum and natural gas industries - Specific requirements for offshore structures - Part 4: Geotechnical and foundation design considerations
• Effective Date: 10-Dec-2011

Standards Content (Sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 19901-4
First edition
2003-08-01
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 2003
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E-mail [e-mail]
Web www.iso.org
Published in Switzerland
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Contents Page
Foreword. v
Introduction . vii
1 Scope. 1
2 Normative references. 1
3 Terms and definitions. 2
4 Symbols. 3
5 General requirements. 4
5.1 General. 4
5.2 Testing and instrumentation. 4
5.3 Conductor installation and shallow well drilling . 5
6 Geotechnical data acquisition and integrated geoscience studies. 5
6.1 Geotechnical assessment. 5
6.2 Shallow geophysical investigation . 5
6.3 Geological modelling and identification of hazards.6
6.4 Geotechnical investigation. 8
7 Stability of shallow foundations. 9
7.1 General. 9
7.2 Principles. 10
7.3 Acceptance criteria. 10
7.4 Undrained bearing capacity — constant shear strength. 12
7.5 Undrained bearing capacity — linearly increasing shear strength . 13
7.6 Drained bearing capacity . 13
7.7 Shear strength used in bearing capacity calculations. 14
7.8 Settlements and displacements . 14
7.9 Dynamic behaviour. 14
7.10 Hydraulic stability. 15
7.11 Installation and removal. 15
7.12 Shallow foundations equipped with skirts. 15
7.13 Shallow foundations without skirts . 15
7.14 Installation effects. 16
Annex A (informative) Additional information and guidance. 17
A.1 Scope. 17
A.2 Normative references. 17
A.3 Terms and definitions. 17
A.4 Symboles. 17
A.5 General requirements. 17
A.6 Geotechnical data acquisition and integrated geoscience studies. 18
A.6.1 Geotechnical assessment. 18
A.6.2 Shallow geophysical investigation . 18
A.6.3 Geological modelling and identification of hazards.18
A.6.4 Geotechnical investigation. 18
A.7 Stability of shallow foundations. 20
A.7.1 General. 20
A.7.2 Principles. 20
A.7.3 Acceptance criteria. 22
A.7.4 Undrained bearing capacity — constant shear strength. 22
A.7.5 Undrained bearing capacity — linearly increasing shear strength . 23
A.7.6 Drained bearing capacity . 25
A.7.7 Shear strength used in bearing capacity calculations.26
A.7.8 Settlements and displacements.26
A.7.9 Dynamic behaviour.26
A.7.10 Hydraulic stability.26
A.7.11 Installation and removal.26
A.7.12 Shallow foundations equipped with skirts .26
A.7.13 Shallow foundations without skirts.27
A.7.14 Installation effects.27
Annex B (informative) Carbonate soils.28
B.1 General.28
B.2 Characteristic features.28
B.3 Properties.29
B.4 Foundations.29
B.4.1 Driven piles.29
B.4.2 Other deep foundation alternatives.29
B.4.3 Shallow foundations.29
B.5 Assessment.30
Bibliography.31

iv © ISO 2003 — All rights reserved

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.
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 member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
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.
ISO 19901-4 was prepared by Technical Committee ISO/TC 67, Materials, equipment and offshore structures
for petroleum, petrochemical and natural gas industries, Subcommittee SC 7, Offshore structures.
ISO 19901 consists of the following parts, under the general title Petroleum and natural gas industries —
Specific requirements for offshore structures:
 Part 4: Geotechnical and foundation design considerations
 Part 5: Weight control during engineering and construction
The following parts of ISO 19901 are under preparation:
 Part 1: Metocean design and operating considerations
 Part 2: Seismic design procedures and criteria
 Part 3: Topsides structure
 Part 6: Marine operations
 Part 7: Stationkeeping systems for floating offshore structures and mobile offshore units
ISO 19901 is one of a series of standards for offshore structures. The full series consists of the following
International Standards.
 ISO 19900, Petroleum and natural gas industries — General requirements for offshore structures
 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
 ISO 19906, Petroleum and natural gas industries — Arctic offshore structures
vi © ISO 2003 — All rights reserved

Introduction
The offshore structures International Standards 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.
The offshore structures International Standards are intended to provide a wide latitude in the choice of
structural configurations, materials and techniques without hindering innovation. Sound engineering
judgement is therefore necessary in the use of these International Standards.
The overall concept of structural integrity is described above. 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.
The design practice for the foundations of offshore structures has proved to be an innovative and evolving
process over the years since the 1950s. This evolution is expected to continue and is encouraged. Therefore,
circumstances can arise when the procedures described herein or in the other International Standards
ISO 19902 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. The scope of
the site investigation for one structure is not necessarily adequate for another. Extra caution is necessary
when dealing with unfamiliar soils or foundation concepts. This part of ISO 19901 is intended to provide wide
latitude in the choice of site investigation techniques and foundation solutions, without hindering innovation.
Sound engineering judgement is therefore necessary in the use of this part of ISO 19901.
For an offshore structure and its foundations, 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 may
be considered as actions on the foundation's subsystem(s) and this approach is followed in this part of
ISO 19901.
To meet certain needs of industry for linking software to specific elements in this part of ISO 19901, a special
numbering system has been permitted for figures, tables and equations.
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 Annex B. There is, as yet, insufficient
knowledge and understanding of such soils to produce normative requirements.

INTERNATIONAL STANDARD ISO 19901-4:2003(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 requirements and recommendations 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 characterization,
 soil and rock characterization,
 design and installation of foundations supported by the seabed (shallow foundations), and
 identification of hazards.
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.
NOTE 1 Particular requirements for the design of piled foundations, which have a traditional association with fixed steel
structures, are given in ISO 19902.
NOTE 2 Particular requirements for the design of shallow gravity foundations, which have a traditional association with
fixed concrete structures, are detailed in ISO 19903.
NOTE 3 Particular requirements for the anchor points of mooring systems of floating structures are detailed in
[65]
ISO 19901-7 .
NOTE 4 Particular requirements for the design of spud can foundations, which have a traditional association with jack-
up mobile offshore units (MOUs), are detailed in ISO 19905 (all parts).
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated
references, only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced
document (including any amendments) applies.
ISO 19900, Petroleum and natural gas industries — General 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 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
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 19900 and the following apply.
3.1
design actions
combination of representative actions and partial safety factors representing a design situation for use in
checking the acceptability of a design
3.2
drained condition
condition whereby the applied stresses and stress changes are supported by the soil skeleton and do not
cause a change in pore pressure
3.3
effective foundation area
reduced foundation area having its geometric centre at the point where the resultant action vector intersects
the foundation base level
3.4
material factor
partial safety factor applied to the strength of the soil
3.5
sea floor
interface between the sea and the seabed
3.6
seabed
materials below the sea in which a structure is founded, whether of soils such as sand, silt or clay, cemented
materials or of rock
NOTE 1 The seabed can be considered as the half-space below the sea floor.
NOTE 2 Offshore foundations are most commonly installed in soils, and the terminology in this part of ISO 19901
reflects this. However, the requirements equally apply to cemented seabed materials and rocks. Thus, the term “soil” does
not exclude any other material at or below the sea floor.
NOTE 3 As yet there are no universally accepted definitions of the various types of soil and rock, see A.6.4.3.
3.7
settlement
permanent downward movement of a structure as a result of its own weight and other actions
3.8
undrained condition
condition whereby the applied stresses and stress changes are supported by both the soil skeleton and the
pore fluid and do not cause a change in volume
3.9
undrained shear strength
maximum shear stress at yielding or at a specified maximum strain in an undrained condition
NOTE Yielding is the condition of a material in which a large plastic strain occurs at little or no stress increase.
2 © ISO 2003 — All rights reserved

4 Symbols
Commonly used symbols are listed below, other symbols are defined in the text following the applicable
formula. It should be noted that symbols can have different meanings between formulae.
A total foundation area
A′ effective foundation area
A embedded vertical cross-sectional area of foundation
h
a soil attraction
B′ effective width of foundation
c undrained shear strength of clay
u
c average undrained shear strength between sea floor and base level for linearly increasing isotropic
u,ave
undrained shear strength with depth
c undrained shear strength at base level
u,0
D depth to base level
b
H factored horizontal total action on base area
b
K correction factor, which accounts for inclined actions, foundation shape, and depth of embedment
c
K drained horizontal soil reaction coefficient
rd
K undrained horizontal soil reaction coefficient
ru
L effective length of foundation area
′
p effective overburden stress at base level (skirt tip level when skirts are used)
Q design sliding resistance
d,h
Q design bearing capacity in the absence of horizontal actions
d,v
q design unit bearing capacity in the absence of horizontal actions
d,v
V factored vertical total action on base area
b
γ material factor
m
γ ′ submerged unit weight of soil
κ rate of increase of undrained shear strength with depth
φ ′ effective angle of internal friction
5 General requirements
5.1 General
The foundation shall be designed to carry static and dynamic (repetitive as well as transient) actions without
causing excessive deformation of or vibrations in the structure. Special attention shall be given to the effects
of repetitive and transient actions on the structural response, as well as on the strength of the supporting soils.
The possibility of movement of the seabed shall be considered. Any actions resulting from such movements
on foundation members shall be considered in the design. The potential for disturbance to foundation soils by
conductor installation or shallow well drilling shall be assessed (see 5.3).
5.2 Testing and instrumentation
Where there is uncertainty regarding the behaviour of foundations, testing or instrumentation should be
undertaken. Possible methods include the following.
a) Load testing.
Load testing or large-scale field testing should be performed where there is particular uncertainty in the
foundation capacity and where safety and/or economy are of particular importance.
b) Model tests.
Model tests should be performed where
1) the foundation configuration differs significantly from earlier configurations where operational
experience exists,
2) the soil conditions differ significantly from those where operational experience exists,
3) new methods of installation or removal are envisaged, or
4) a high degree of uncertainty exists as to how the structure or its foundation will behave.
c) Temporary instrumentation.
Structures should be fitted with temporary instrumentation where
1) the installation method presupposes the existence of measured data for control of the operation, or
2) an installation method is to be applied with which little or no experience has been gained.
d) Permanent instrumentation.
Structures should be fitted with permanent instrumentation where
1) the safety or behaviour of the foundation is dependent on active operation,
EXAMPLE Where drainage systems are used, data shall be immediately accessible to the user.
2) the foundation configuration, the soil conditions, or the actions differ substantially from those with
which experience has been gained,
3) there is a need for monitoring of the whole foundation with regard to penetration, settlement, tilt, or
other behaviour, or
4) the method of removal presupposes the existence of measured data for control of the operation.
4 © ISO 2003 — All rights reserved

5.3 Conductor installation and shallow well drilling
The planning for conductor installation and shallow well drilling shall take into account the potential for
disturbance to foundation soils and the consequent risk of a reduction in stability of the structure or of adjacent
conductors.
Soil disturbances during drilling operations can result from hydraulic fracture, washout (uncontrolled
enlargement of the drilled hole), or shallow gas pockets. Hydraulic fracture occurs where drilling fluid pressure
is too high and fluid is lost into the formation, possibly softening the surrounding soil. Washout generally
occurs in granular soils and can, in part, be induced by high drilling fluid circulation rates or drilling without
mud. Washout can produce large voids in the soil structure and lead to stress relief in the surrounding soils.
These incidents can be accompanied by loss of circulation of drilling fluids, return of these fluids to the sea
floor other than through the conductor, or the creation of sea floor craters. Thereby the stability of foundations
can be reduced and displacements increased. These detrimental effects can occur whether the drilling takes
place after installation of the structure or before, e.g. through a pre-installed template or for an exploration
well.
Records of conductor installation and shallow well drilling shall be available to the designer of the structure.
The implications for foundation soils of any incidents of inadequate grouting, excessive loss of circulation,
return of drilling fluids to the sea floor other than through the conductor, or creation of sea floor craters should
be assessed. The cuttings from the well drilling operation, if allowed to accumulate on the sea floor, should be
taken into account in the foundation design, installation procedure and structure removal.
6 Geotechnical data acquisition and integrated geoscience studies
6.1 Geotechnical assessment
The determination of geotechnical parameters and the assessment of geological hazards and constraints
result from an integrated study of the area using geophysics, geology and geotechnical engineering.
Geophysical data are acquired to develop a geological model so as to better understand depositional and
other processes and features of an area. The geophysical data are also used to help interpret the stratigraphy
from geotechnical boreholes, to define lateral variability across a site, and to provide guidance on optimizing
the location of the proposed facilities. Incorporation of geotechnical data into the geological model gives
insight into the potential impact of geological conditions on man-made facilities, such as structures, pipelines,
anchors and wellheads.
6.2 Shallow geophysical investigation
Shallow geophysical investigation can provide information about soil stratigraphy and evidence of geological
features, such as slumps, scarps, irregular or rough topography, mud volcanoes, mud lumps, collapse
features, sand waves, slides, faults, diapirs, erosional surfaces, gas bubbles in the sediments, gas seeps,
buried channels, and lateral variations in stratum thicknesses. The areal extent of shallow soil layers can
sometimes be mapped if good correspondence is established between the soil boring and in situ test
information and the results from the seabed surveys.
The types of equipment for performing shallow geophysical investigation that should be considered are
discussed below.
a) Echo sounders or swathe bathymetric systems (in which a series of sweeps of the bathymetric equipment
are used) define water depths and sea floor morphology. On complex sea floors, swathe systems have
the advantage of providing higher data density and better definition of variable topography. Seismic three-
dimensional data acquired for exploration purposes also provide useful data for developing water-bottom
(bathymetry) maps.
These data should only be used for preliminary evaluations because the resolution could be of the order
of a few metres depending on the variability of the topography.
b) Sub-bottom profilers (tuned transducers) define structural features within the near-surface sediments.
NOTE These systems can also provide data to develop water-bottom maps.
c) Side-scan sonar defines sea floor features and sea floor reflectivity.
NOTE Backscatter measurements from some swathe systems can also provide morphological information.
d) Seismic sources, such as boomers or minisparkers, can define the structure to deeper depths up to
approximately 100 m below the sea floor and either single or tuned arrays of sparkers, air guns, water
guns or sleeve-exploders can define structure to deeper depths and can tie in with deep seismic data
from reservoir studies. Seismic source signals are received either with single channel analogue or multi-
channel hydrophones. Digital processing of the recorded signals enhances the quality of the images
recorded and removes extraneous noise and multiples from the recorded signals.
e) Seabed refraction equipment provides information on the stratification of the top few metres of the
seabed.
Shallow sampling of near surface sediments using drop, piston or grab sampling, or vibrocoring together with
cone penetrometer tests along geophysical tracklines can be useful for calibration of results and improved
definition of the shallow geology.
Direct observation of the sea floor using a remotely operated vehicle (ROV) or manned submersible can also
provide important confirmation or characterization of geological conditions.
6.3 Geological modelling and identification of hazards
6.3.1 General
The nature, magnitude, and return intervals of potential active geological processes should be evaluated by
site investigation techniques. Judicious use of analytical modelling can provide input for determination of the
effects of active geological processes on structures and foundations. Due to uncertainties associated with
definition of these processes, a parametric approach to studies is also helpful in the development of design
criteria.
A geological model is constructed by hypothesizing a depositional process. The geophysical data should be
mapped within the context of the hypotheses made. Features within the same geological period should be
mapped together. Features not associated with a particular process should be mapped separately. If
necessary, the mapping strategy should be adjusted to fit the model until agreement exists between the data
and the model. The results of the geological modelling phase should ideally allow the interpreter to discuss in
a report how features have developed over time, in order to allow assessment of how the features can affect
future man-made developments.
Some of the more familiar geological processes, events and conditions are discussed in 6.3.2 to 6.3.7.
6.3.2 Earthquakes
Seismic actions shall be considered in design of structures for areas that are determined to be seismically
active. Areas are considered seismically active on the basis of the historical record of earthquake activity, both
in frequency of occurrence and in magnitude, or on the basis of a tectonic review of the region (for more
[66]
details, see ISO 19901-2 ).
Seismic considerations for such areas shall include investigation of the subsurface soils for instability due to
liquefaction, submarine slides triggered by earthquake activity, proximity of the site to seismogenic faults, the
characteristics of the ground motions expected during the life of the structure, and the acceptable seismic risk
for the type of operation intended. Structures in shallow water that can be subjected to tsunamis shall be
investigated for the effects of the resulting actions.
6.3.3 Fault planes
In some offshore areas, fault planes can extend to the sea floor with the potential for vertical and horizontal
movement. Fault movement can occur as a result of tectonic activity, removal of fluids from deep reservoirs or
long-term creep related to large-scale sedimentation or erosion. Siting of facilities in close proximity to fault
6 © ISO 2003 — All rights reserved

planes intersecting the sea floor should be avoided, if possible. If circumstances dictate siting structures near
potentially active faults, the magnitude and time scale of expected movement shall be estimated on the basis
of a geological study for use in the design of structures.
6.3.4 Sea floor instability
Movements of the sea floor can be caused by ocean wave pressures, earthquakes, soil self-weight, hydrates,
shallow gas, faults, or other geological processes. Weak, underconsolidated sediments occurring in areas
where wave pressures are significant at the sea floor are susceptible to wave-induced movement and can be
unstable under very small slope angles. Earthquakes can induce failure of sea floor slopes that are otherwise
stable under the existing soil self-weight and wave actions.
Rapid sedimentation (such as actively growing deltas), low soil strength, soil self-weight, and wave-induced
pressures are generally controlling factors for the geological processes that continually move sediment
downslope. Important design considerations under these conditions include the effects of large-scale
movement of sediment (i.e. mud slides and slumps) in areas subjected to strong wave pressures, downslope
creep movements in areas not directly affected by wave/sea floor interaction and the effects of sediment
erosion and/or deposition on structure performance.
The scope of site investigations in areas of potential instability shall focus on identification of metastable
geological features surrounding the site and definition of the soil engineering properties required for modelling
and estimating sea floor movements.
Estimates of soil movement as a function of depth below the sea floor based on geotechnical analyses can be
used to predict actions on structural members. Geological studies employing historical bathymetric data can
be useful for quantifying deposition rates during the design life of the facility.
6.3.5 Scour and sediment mobility
Scour is the removal of seabed soils by currents and waves. Such erosion can be due to a natural geological
process or can be caused by structural components interrupting the natural flow regime above the sea floor.
From observations, sea floor variations can usually be characterized as some combination of the following.
a) Local scour.
Steep-sided scour pits around foundation components such as piles and pile groups, as seen in flume
models.
b) Global scour.
Shallow scoured basins of large extent around a structure, possibly due to overall structure effects,
multiple structure interaction, or wave-soil-structure interaction.
c) Overall seabed movement of sand waves, ridges, and shoals that would also occur in the absence of a
structure.
Such movements can result in sea floor lowering or rising, or repeated cycles of these. The addition of
man-made structures often changes the local sediment transport regime that can aggravate erosion,
cause accumulation, or have no net effect.
Scour can result in removal of vertical and lateral support for foundations, causing undesirable settlements of
shallow foundations and overstressing of foundation components. Where scour is a possibility, it shall be
taken into account in design and/or its mitigation shall be considered.
6.3.6 Shallow gas
The presence of either biogenic or petrogenic gas in the pore water of shallow soils is an important
consideration to the engineering of the foundation. In situ natural gas can be both gaseous or bound with
water to form a solid (known as hydrate). In addition to being a potential drilling hazard during both site
investigation soil borings and oil well drilling, the effects of shallow gas can be important to foundation
engineering. The effect of dissolution and expansion of gas in recovered soil samples shall be taken into
account in developing geotechnical parameters for design.
6.3.7 Seabed subsidence
The nature of the soil conditions and the reservoir and extraction processes should be investigated to
establish whether subsidence of the seabed is likely to occur during the field life. Subsidence, where this is a
possibility, shall be taken into account in design.
The potential for seabed subsidence due to reservoir compaction shall be considered. The magnitude of
surface settlements will depend on the reservoir dimensions, compressibility of reservoir rocks and the
anticipated pressure drop. Where the magnitude of subsidence is uncertain, an increase in air gap shall be
considered.
6.4 Geotechnical investigation
6.4.1 General
Knowledge of the soil conditions existing at the construction site of any structure is necessary to develop a
safe and economical design. Site investigations shall be performed to determine the various soil strata and
their corresponding physical and engineering properties. Results of previous integrated geoscience studies
and experience at the site can enable the design and installation of additional structures with minimal or no
additional geotechnical investigation.
The initial step for a geotechnical investigation is a review of available geological, geophysical, and previous
soil investigation data. The purpose of this review is to identify potential constraints and aid in planning the
subsequent data acquisition phases of the site investigation.
Geophysical surveys should be performed before the geotechnical investigation. Geotechnical surveys and
geotechnical investigation data should be combined in an engineering geological model of the region so as to
develop the required design parameters. The on-site studies shall extend throughout the depth and areal
extent of soils that will affect or be affected by installation of the foundations.
6.4.2 Soil investigation and testing
The soil investigation programme should be defined after review of the geophysical results and the geology at
the site. In general, an on-site geotechnical investigation should include
a) sampling for soil classification and engineering property testing, and
b) in situ soil profiling and strength testing.
Details of the field investigation and subsequent laboratory testing programme depend on soil variability,
environmental design conditions (e.g. earthquake actions) to be considered in the foundation design, the
structure type and geometry, conductor, riser and pipeline requirements, and the presence of geohazards
(e.g. slope instability), which can affect the entire construction site.
Depending upon the required investigation depth and sample quality, suitable soil samples can be obtained
from geotechnical boreholes, freefall piston corers or vibrocorers. Variations in the vertical soil profile can also
be assessed in great detail from continuous piezocone penetration tests (PCPT) and geophysical borehole
logging. The PCPT can be performed in a geotechnical borehole or from the seafloor, depending upon the
required investigation depth.
8 © ISO 2003 — All rights reserved

In situ strength testing should particularly be considered for investigations where sampling disturbance and/or
poor recovery are expected. Sample quality largely depends on the control of the drilling and sampling
process, soil type and occurrence of gas in the pore fluid. Sample disturbance and recovery problems are
notable in silica sands, carbonate materials and soft soils. In situ vane shear test results are used in
conjunction with shear strengths measured on retrieved samples to assess soil strength in soft to firm clays.
PCPT results combined with the former data can be used to establish a continuous shear strength profile in
clays. PCPT data in sands are used to estimate in situ relative density, pile and skirt friction and end bearing
values.
The objective of laboratory testing is to determine the strength-deformation-consolidation properties of a given
soil deposit. Samples should be tested as soon as possible after sampling. A combination of shipboard and
land-based laboratory testing is recommended to assess possible transportation, storage, and/or ageing
effects.
The required sophistication of the soil sampling and preservation techniques, in situ testing, and laboratory
testing programmes are a function of the structure’s design requirements and the need to assess geohazards
that can affect the structure. For novel structural concepts, deepwater applications, and structures in areas
with potential slope instability, the geotechnical programmes should be increased and designed to provide the
data necessary for detailed geotechnical analyses. In addition, special geological testing (e.g. X-ray
radiography or age dating) can be required to assess geological processes. X-ray radiography can also aid in
ass
...

NORME ISO
INTERNATIONALE 19901-4
Première édition
2003-08-01
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 2003
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©  ISO 2003
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Case postale 56 • CH-1211 Geneva 20
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Fax + 41 22 749 09 47
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Web www.iso.org
Version française parue en 2013
Publié en Suisse
ii © ISO 2003 – Tous droits réservés

Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction.vii
1 Domaine d'application .1
2 Références normatives.1
3 Termes et définitions .2
4 Symboles.3
5 Exigences générales.4
5.1 Généralités .4
5.2 Essais et instrumentation.4
5.3 Installation d'un tube conducteur et forage d'un puits peu profond .5
6 Acquisition des données géotechniques et études géologiques intégrées .5
6.1 Évaluation géotechnique.5
6.2 Étude géophysique superficielle .5
6.3 Modélisation géologique et identification des dangers .6
6.4 Reconnaissance géotechnique.8
7 Stabilité des fondations superficielles.10
7.1 Généralités .10
7.2 Principes.11
7.3 Critères d'acceptation.11
7.4 Capacité portante à l'état non drainé — résistance au cisaillement constante.14
7.5 Capacité portante à l'état non drainé — résistance au cisaillement augmentant de façon
linéaire .14
7.6 Capacité portante à l'état drainé .15
7.7 Résistance au cisaillement utilisée dans les calculs de capacité portante .15
7.8 Tassements et déplacements .16
7.9 Comportement dynamique.16
7.10 Stabilité hydraulique .16
7.11 Installation et enlèvement.16
7.12 Fondations superficielles équipées de jupes.17
7.13 Fondations superficielles sans jupe .17
7.14 Effets de l'installation.17
Annexe A (informative) Informations et lignes directrices supplémentaires .18
A.1 Domaine d'application .18
A.2 Références normatives.18
A.3 Termes et définitions .18
A.4 Symboles.18
A.5 Exigences générales.18
A.6 Acquisition des données géotechniques et études géologiques intégrées .18
A.6.1 Évaluation géotechnique.18
A.6.2 Étude géophysique superficielle .18
A.6.3 Modélisation géologique et identification des dangers .19
A.6.4 Reconnaissance géotechnique.19
A.7 Stabilité des fondations superficielles.21
A.7.1 Généralités .21
A.7.2 Principes.21
A.7.3 Critères d'acceptation.23
A.7.4 Capacité portante à l'état non drainé — résistance au cisaillement constante.23
A.7.5 Capacité portante à l'état non drainé — résistance au cisaillement augmentant de façon
linéaire .24
A.7.6 Capacité portante à l'état drainé .26
A.7.7 Résistance au cisaillement utilisée dans les calculs de capacité portante .27
A.7.8 Tassements et déplacements.27
A.7.9 Comportement dynamique .28
A.7.10 Stabilité hydraulique .28
A.7.11 Installation et enlèvement.28
A.7.12 Fondations superficielles équipées de jupes .28
A.7.13 Fondations superficielles sans jupe.28
A.7.14 Effets de l'installation.28
Annexe B (informative) Sols carbonatés .29
B.1 Généralités .29
B.2 Particularités caractéristiques .29
B.3 Propriétés .30
B.4 Fondations.30
B.4.1 Pieux battus.30
B.4.2 Autres alternatives pour les fondations profondes .31
B.4.3 Fondations superficielles .31
B.5 Évaluation.31
Bibliographie .32

iv © ISO 2003 – Tous droits réservés

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 (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée 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.
L'ISO 19901-4 a été élaborée par le comité technique 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.
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 4: Bases conceptuelles des fondations
⎯ Partie 5: Contrôles des poids durant la conception et la fabrication
Les parties suivantes de l'ISO 19901 sont en préparation:
⎯ Partie 1: Dispositions océano-météorologiques pour la conception et l'exploitation
⎯ Partie 2: Procédures de conception et critères sismiques
⎯ Partie 3: Superstructures
⎯ Partie 6: Opérations marines
⎯ Partie 7: Systèmes de maintien en position des structures en mer flottantes et des unités mobiles en mer
L'ISO 19901 fait partie d'une série de normes relatives aux structures en mer. La série comprend les Normes
internationales suivantes:
⎯ 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 spécifique au site d'unités mobiles
en mer — Partie 2: Compléments sur les plates-formes auto-élévatrices
⎯ ISO 19906, Industries du pétrole et du gaz naturel — Structures arctiques en mer
vi © ISO 2003 – Tous droits réservés

Introduction
Les Normes internationales ISO 19900 à 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.
Les Normes internationales relatives aux structures en mer 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. Il est par conséquent nécessaire d’en faire usage à la lumière d’un jugement technique avisé.
Le concept général d’intégrité structurelle est décrit ci-dessus. Pour les fondations, des considérations
complémentaires sont applicables. Celles-ci comprennent la durée, la fréquence et la vitesse d’application
des charges, la méthode d’installation des fondations, les propriétés du sol environnant, le comportement
global du lit océanique, les effets des structures adjacentes et les résultats du forage dans le lit océanique.
Tout cela, ainsi que toute autre information applicable, doit être considéré en relation avec la fiabilité globale
de la fondation.
La pratique du dimensionnement des fondations pour les structures en mer est un processus innovant et en
continuelle évolution depuis les années 1950. Cette évolution va probablement continuer et est encouragée.
Ainsi, dans certaines circonstances, les procédures décrites dans le présent document ou dans les autres
Normes internationales ISO 19902 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 lit océanique varient. L’expérience acquise sur un emplacement peut ne pas être applicable sur
un autre site. Le programme de reconnaissance de site pour une structure donnée n'est pas nécessairement
adapté pour un autre type de structure. Des précautions supplémentaires sont requises lorsque l’on a affaire à
des sols ou des concepts de fondation non familiers. L’objectif de la présente partie de l’ISO 19901 est de
fournir toute latitude dans le choix des techniques de reconnaissance de site et des solutions de fondation,
sans empêcher l’innovation. 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 et ses fondations, les effets des actions à l'interface entre la structure (ou ses
sous-systèmes) et les fondations (ou ses 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.
Pour satisfaire certains besoins de l’industrie de faire le lien entre des logiciels et des éléments spécifiques de
la présente partie de l'ISO 19901, un système de numérotation spécial a été adopté pour les figures, tableaux
et équations.
Des références et des indications sur la manière d’utiliser la présente partie de l’ISO 19901 sont données en
Annexe A. Des recommandations concernant les fondations dans les sols carbonatés sont données pour
information en Annexe B. En l’état actuel, la connaissance et la compréhension de ces sols sont insuffisantes
pour fournir des exigences normatives.
NORME INTERNATIONALE ISO 19901-4:2003(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 exigences et les recommandations 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,
⎯ caractérisation des sols et des roches,
⎯ dimensionnement et installation des fondations supportées par le lit océanique (fondations superficielles),
et
⎯ identification des risques.
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.
NOTE 1 Les exigences particulières relatives au dimensionnement des pieux de fondation, qui sont traditionnellement
associés aux structures fixes en acier, sont données dans l'ISO 19902.
NOTE 2 Les exigences particulières relatives au dimensionnement des fondations superficielles par gravité, qui sont
traditionnellement associées aux structures fixes en béton, sont données dans l'ISO 19903.
NOTE 3 Les exigences particulières relatives aux points d'ancrage des systèmes d'amarrage des structures flottantes
[65]
sont détaillées dans l'ISO 19901-7 .
NOTE 4 Les exigences particulières relatives au dimensionnement des caissons de fondation, qui sont
traditionnellement associés aux plates-formes auto-élévatrices des unités mobiles en mer (MOU) sont détaillées dans
l'ISO 19905 (toutes les parties).
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l'application du présent document. Pour les
références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s'applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 19900, Industries du pétrole et du gaz naturel — Exigences générales pour les 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 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 spécifique au site d'unités mobiles en
mer — Partie 2: Compléments sur les plates-formes auto-élévatrices
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l'ISO 19900 ainsi que les
suivnats s'appliquent.
3.1
actions de dimensionnement
combinaison d'actions représentatives et de coefficients partiels de sécurité représentant une situation
conceptuelle, destinée à être utilisée pour vérifier l'acceptabilité d'un dimensionnement
3.2
condition drainée
condition dans laquelle les contraintes appliquées et les variations de contrainte sont supportées par le
squelette du sol et ne provoquent pas de variation de la pression interstitielle
3.3
surface effective d'une fondation
surface réduite d'une fondation dont le centre géométrique se situe au niveau du point d'intersection entre le
vecteur d'action résultant et le niveau de base de la fondation
3.4
coefficient du matériau
coefficient partiel de sécurité appliqué à la résistance du sol
3.5
fond océanique
interface entre la mer et le lit océanique
3.6
lit océanique
matériaux sous la mer dans lesquels une structure prend appui, constitués de sols de type sable, limon ou
argile, de matériaux cémentés ou de roches
NOTE 1 Le lit océanique peut être considéré comme le demi-espace situé sous le fond océanique.
NOTE 2 Les fondations en mer sont le plus souvent installées dans des sols et la terminologie employée dans la
présente partie de l'ISO 19901 le reflète. Néanmoins, les exigences s'appliquent également aux matériaux de lit
océanique cémentés et aux roches. Ainsi, le terme «sol» n'exclut aucun autre matériau situé au niveau ou au-dessous du
lit océanique.
NOTE 3 A l'heure actuelle, il n'existe aucune définition universellement acceptée des différents types de sols et de
roches, voir A.6.4.3.
3.7
tassement
mouvement descendant permanent d'une structure sous l'effet de son propre poids et d'autres actions
3.8
condition non drainée
condition dans laquelle les contraintes appliquées et les variations de contrainte sont supportées à la fois par
le squelette du sol et le fluide interstitiel et ne provoquent pas de variation du volume
3.9
résistance au cisaillement à l'état non drainé
contrainte de cisaillement maximale au seuil de plasticité ou à une déformation maximale spécifiée dans une
condition non drainée
NOTE Le seuil de plasticité est l'état d'un matériau dans lequel une augmentation faible ou nulle des contraintes
entraîne une importante déformation plastique.
2 © ISO 2003 – Tous droits réservés

4 Symboles
Les symboles couramment utilisés sont indiqués ci-après; les autres symboles sont définis dans le texte après
la formule concernée. Il convient de noter que les symboles peuvent avoir des significations différentes selon
les formules.
A surface totale d'une fondation
A′ surface effective d'une fondation
A aire de la section verticale enfouie d'une fondation
h
a attraction du sol
B′ largeur effective d'une fondation
c résistance au cisaillement de l'argile à l'état non drainé
u
c résistance moyenne au cisaillement à l'état non drainé entre le lit océanique et le niveau de base pour
u,moy
une augmentation linéaire de la résistance au cisaillement à l'état non drainé isotrope avec la
profondeur
c résistance au cisaillement à l'état non drainé au niveau de base
u,0
D profondeur par rapport au niveau de base
b
H action horizontale totale pondérée sur la surface de base
b
K facteur de correction tenant compte des actions inclinées, de la forme de la fondation et de la
c
profondeur d'enfouissement
K coefficient de réaction horizontale du sol à l'état drainé
rd
K coefficient de réaction horizontale du sol à l'état non drainé
ru
L longueur effective de la surface d'une fondation
′
pression géostatique effective au niveau de base (niveau de l'extrémité de la jupe lorsque des jupes
p
sont utilisées)
Q résistance au glissement de calcul
d,h
Q capacité portante de calcul en l'absence d'actions horizontales
d,v
q capacité portante unitaire de calcul en l'absence d'actions horizontales
d,v
action verticale totale pondérée sur la surface de base
V
b
γ coefficient du matériau
m
γ′ poids unitaire submergé du sol
κ vitesse d'accroissement de la résistance au cisaillement à l'état non drainé avec la profondeur
φ′ angle de frottement interne effectif
5 Exigences générales
5.1 Généralités
La fondation doit être dimensionnée de manière à supporter les actions statiques et dynamiques (aussi bien
répétitives que transitoires) sans que celles-ci provoquent de déformation ni de vibrations dans la structure.
Une attention particulière doit être portée aux effets des actions répétitives et transitoires sur la réponse de la
structure ainsi que sur la résistance des sols de fondation. La possibilité de mouvement du lit océanique doit
être prise en compte. Toute action résultant de tels mouvements sur les éléments de fondation doit être prise
en compte dans la conception. La possibilité de perturbation des sols de fondation par l'installation d'un tube
conducteur ou le forage d'un puits peu profond doit être évaluée (voir 5.3).
5.2 Essais et instrumentation
En cas d'incertitude concernant le comportement des fondations, il convient de faire appel à des essais ou à
des instruments. Les méthodes possibles sont les suivantes.
a) Essais de charge.
Il convient d'effectuer des essais de charge ou des essais à grande échelle sur le terrain lorsqu'il existe
une incertitude particulière concernant la capacité des fondations et lorsque la sécurité et/ou l'économie
ont une importance particulière.
b) Essais sur modèles.
Il convient d'effectuer des essais sur modèles lorsque:
1) la configuration des fondations diffère nettement des configurations antérieures pour lesquelles on
dispose d'une expérience opérationnelle;
2) les conditions du sol diffèrent nettement de celles pour lesquelles on dispose d'une expérience
opérationnelle;
3) de nouvelles méthodes d'installation ou de retrait sont envisagées; ou
4) un haut degré d'incertitude existe quant à la façon dont la structure ou ses fondations se
comporteront.
c) Instrumentation provisoire.
Il convient d'équiper les structures d'une instrumentation provisoire lorsque:
1) la méthode d'installation présuppose l'existence de données mesurées pour le contrôle de
l'opération; ou
2) l'expérience acquise avec la méthode d'installation devant être appliquée est faible ou inexistante.
d) Instrumentation permanente.
Il convient d'équiper les structures d'une instrumentation permanente lorsque:
1) la sécurité ou le comportement des fondations dépend d'une opération active;
EXEMPLE Lorsque des systèmes de drainage sont utilisés, les données doivent être immédiatement
accessibles à l'utilisateur.
2) la configuration des fondations, les conditions du sol ou les actions diffèrent sensiblement de celles
pour lesquelles on dispose d'une expérience;
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3) il est nécessaire de surveiller l'ensemble des fondations en ce qui concerne la pénétration, le
tassement, l'inclinaison ou un autre comportement; ou
4) la méthode de retrait présuppose l'existence de données mesurées pour le contrôle de l'opération.
5.3 Installation d'un tube conducteur et forage d'un puits peu profond
La planification de l'installation d'un tube conducteur et du forage d'un puits peu profond doit tenir compte de
la possibilité de perturbation des sols de fondation et du risque associé de réduction de la stabilité de la
structure ou des tubes conducteurs adjacents.
Pendant les opérations de forage, les sols peuvent être perturbés par une fracture hydraulique, un lessivage
du trou (agrandissement incontrôlé du trou de forage) ou des poches de gaz peu profondes. Une fracture
hydraulique se produit lorsque la pression du fluide de forage est trop élevée et que le fluide s'échappe dans
la formation, en ramollissant éventuellement le sol environnant. Un lessivage du trou se produit dans les sols
grenus et peut, en partie, être induit par des débits de circulation élevés du fluide de forage ou un forage sans
boue. Le lessivage du trou peut produire de grands vides dans la structure du sol et entraîner un relâchement
des contraintes dans les sols environnants. Ces incidents peuvent s'accompagner d'une perte de circulation
des fluides de forage, d'un retour de ces fluides vers le lit océanique autrement que par le tube conducteur, ou
de la formation de cratères dans le lit océanique. La stabilité des fondations peut ainsi être réduite et les
déplacements augmentés. Ces effets néfastes peuvent survenir, que le forage ait lieu après l'installation de la
structure ou avant celle-ci, par exemple par le biais d'un châssis de guidage préinstallé ou pour un puits
d'exploration.
Les enregistrements relatifs à l'installation d'un tube conducteur et au forage d'un puits peu profond doivent
être mis à la disposition du concepteur de la structure. Il convient d'évaluer les conséquences pour les sols de
fondation de tous les incidents de type injection de coulis inadéquate, perte excessive de circulation, retour
des fluides de forage vers le lit océanique autrement que par le tube conducteur, ou formation de cratères
dans le lit océanique. Si les déblais de forage du puits peuvent s'accumuler sur le lit océanique, il convient
d'en tenir compte dans le dimensionnement des fondations, la procédure d'installation et le retrait de la
structure.
6 Acquisition des données géotechniques et études géologiques intégrées
6.1 Évaluation géotechnique
La détermination des paramètres géotechniques et l'évaluation des risques et contraintes géologiques
résultent d'une étude intégrée de la zone faisant appel à la géophysique, à la géologie et à la géotechnique.
Les données géophysiques sont obtenues pour développer un modèle géologique afin de mieux comprendre
les processus de dépôt ainsi que d'autres processus et caractéristiques d'une zone. Les données
géophysiques sont également utilisées pour faciliter l'interprétation des données stratigraphiques obtenues à
l'aide de sondages géotechniques, pour définir la variabilité latérale d'un site et pour fournir des
recommandations permettant d'optimiser l'implantation des installations proposées. L'intégration des données
géotechniques dans le modèle géologique donne un aperçu de l'impact potentiel des conditions géologiques
sur des installations artificielles telles que les structures, les conduites, les ancrages et les têtes de puits.
6.2 Étude géophysique superficielle
L'étude géophysique superficielle peut fournir des informations sur la stratigraphie du sol et des preuves de
caractéristiques géologiques telles que glissements, escarpements, topographie irrégulière ou rude, volcans
de boue, îlots de boue, éléments d'affaissement, barres sableuses, éboulements, failles, diapirs, surfaces
d'érosion, bulles de gaz dans les sédiments, dégagements gazeux, canaux enterrés et variations latérales
d'épaisseur des strates. L'étendue aréale des couches de sol mince peut parfois être cartographiée si une
bonne correspondance est établie entre les forages dans le sol, les informations d'essai in situ et les résultats
d'études du lit océanique.
Les types d'équipement permettant de réaliser l'étude géophysique superficielle envisagée sont discutés ci-
après.
a) Les échosondeurs ou les systèmes de bathymétrie par secteurs (dans lesquels l'équipement
bathymétrique réalise une série de balayages) définissent les profondeurs d'eau et la morphologie du lit
océanique. Sur des lits océaniques complexes, les systèmes de bathymétrie par secteurs ont l'avantage
de fournir une plus grande densité de données et une meilleure définition de la topographie variable. Les
données sismiques tridimensionnelles acquises à des fins d'exploration fournissent également des
données utiles pour établir des cartes du fond marin (bathymétrie).
Il convient d'utiliser ces données uniquement pour les évaluations préliminaires car la résolution pourrait
être de l'ordre de quelques mètres selon la variabilité de la topographie.
b) Les sondeurs de sédiments (transducteurs accordés) définissent les éléments structuraux à l'intérieur
des sédiments proches de la surface.
NOTE Ces systèmes fournissent des données permettant d'établir des cartes du fond marin.
c) Un sonar à balayage latéral définit les caractéristiques et la réflectivité du lit océanique.
NOTE Les mesures de la rétrodiffusion par certains systèmes de bathymétrie par secteurs peuvent également fournir
des informations morphologiques.
d) Des sources sismiques, telles que les Boomers ou les mini-étinceleurs, peuvent définir la structure à des
profondeurs allant jusqu'à environ 100 m au-dessous du lit océanique, et des réseaux isolés ou accordés
d'étinceleurs, de canons à air, de canons à eau ou de « sleeve-exploders », peuvent définir la structure à
de plus grandes profondeurs et peuvent être liés aux données sismiques obtenues lors d'études de
réservoir. Les signaux des sources sismiques sont reçus par des hydrophones analogiques à un seul
canal ou des hydrophones multicanaux. Le traitement numérique des signaux enregistrés améliore la
qualité des images enregistrées et supprime le bruit parasite et les réflexions multiples des signaux
enregistrés.
e) Un équipement de réfraction par le lit océanique fournit des informations sur la stratification des quelques
mètres supérieurs du lit océanique.
L'échantillonnage superficiel des sédiments proches de la surface par un dispositif de prélèvement largable, à
piston ou à benne ou par un vibrocarottier, associé à des essais de pénétration au cône le long de lignes
géophysiques peut être utile pour l'étalonnage des résultats et une meilleure définition de la géologie des
formations superficielles.
L'observation directe du lit océanique à l'aide d'un véhicule télécommandé (ROV) ou d'un submersible habité
peut également fournir une confirmation importante ou une caractérisation des conditions géologiques.
6.3 Modélisation géologique et identification des dangers
6.3.1 Généralités
Il convient d'évaluer la nature, l'amplitude et les intervalles de récurrence des processus géologiques actifs
potentiels par des techniques de reconnaissance de site. L'utilisation judicieuse d'une modélisation analytique
peut fournir des données d'entrée pour la détermination des effets des processus géologiques actifs sur les
structures et les fondations. En raison de l’incertitude associée à la définition de ces processus, une approche
paramétrique est également utile pour la détermination des critères de conception.
Un modèle géologique est construit en prenant pour hypothèse un processus de dépôt. Il convient de
cartographier les données géophysiques dans le contexte des hypothèses posées. Il convient de
cartographier ensemble les caractéristiques appartenant à la même période géologique. Il convient de
cartographier séparément les caractéristiques non associées à un processus particulier. Si nécessaire, il
convient d'adapter la stratégie de cartographie au modèle jusqu'à ce qu'un accord soit trouvé entre les
données et le modèle. Idéalement, il convient que les résultats de la phase de modélisation géologique
permettent à la personne qui les interprète de décrire dans un rapport la façon dont les caractéristiques ont
évolué dans le temps, afin de pouvoir évaluer la façon dont ces caractéristiques peuvent affecter les futurs
développements artificiels.
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Certains des processus, événements et conditions géologiques les plus familiers sont discutés de 6.3.2
à 6.3.7.
6.3.2 Séismes
Les actions sismiques doivent être prises en compte dans le calcul des structures installées dans des zones
sismiques actives. Les zones sismiques actives sont déterminées sur la base de l'historique de l'activité
sismique, aussi bien en fréquence qu'en amplitude, ou sur la base d'une revue tectonique de la région (pour
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de plus amples informations, voir l'ISO 19901-2 ).
Les considérations sismiques pour ces zones doivent comprendre une étude des sols de subsurface pour
déterminer une instabilité due à la liquéfaction, des éboulements sous-marins déclenchés par l'activité
sismique, la proximité du site vis-à-vis de failles sismogéniques, les caractéristiques des mouvements du sol
attendus pendant la durée de vie de la structure et le risque sismique acceptable pour le type d'exploitation
prévu. Les structures installées en eau peu profonde qui peuvent être exposées à des tsunamis doivent faire
l'objet d'études relatives aux effets des actions résultantes.
6.3.3 Plans de faille
Dans certaines zones en mer, les plans de faille peuvent s’étendre jusqu’au lit océanique, avec un risque de
glissement vertical ou horizontal. Un mouvement de faille peut se produire suite à une activité sismique, au
prélèvement de fluides dans des réservoirs situés en profondeur ou à un glissement du sol à long terme lié à
une sédimentation ou à une érosion à grande échelle. Il convient, si possible, d'éviter l'implantation
d'installations à proximité étroite de plans de faille s'étendant jusqu'au lit océanique. Si les circonstances
imposent l'implantation de structures à proximité de failles potentiellement actives, l'amplitude et l'échelle de
temps des mouvements prévus doivent être estimées sur la base d'une étude géologique en vue du calcul
des structures.
6.3.4 Instabilité du lit océanique
Les mouvements du lit océanique peuvent être provoqués par la pression des vagues océaniques, les
séismes, la masse propre du sol, les hydrates, le gaz peu profond, les failles ou d'autres processus
géologiques. Les sédiments insuffisamment consolidés situés dans des zones où la pression des vagues est
importante au niveau du lit océanique, sont sensibles aux mouvements induits par les vagues et peuvent être
instables sur des pentes très faibles. Les séismes peuvent provoquer une rupture des pentes du lit océanique
qui sont normalement stables sous les actions existantes de la masse propre du sol et des vagues.
Une sédimentation rapide (deltas en plein développement), une faible résistance du sol, la masse propre du
sol et les pressions induites par les vagues sont généralement des facteurs déterminants pour les processus
géologiques qui déplacent continuellement les sédiments vers le bas de la pente. Dans ces conditions, les
aspects importants de la conception comprennent les effets d'un mouvement des sédiments à grande échelle
(c'est-à-dire coulées de boue) dans les zones soumises à une forte pression des vagues, les mouvements de
glissement dans les zones qui ne sont pas directement affectées par l'interaction entre les vagues et le lit
océanique et les effets de l'érosion et/ou du dépôt de sédiments sur les performances de la structure.
Les reconnaissances de site dans les zones potentiellement instables doivent se concentrer sur l'identification
des caractéristiques géologiques métastables entourant le site et sur la définition des propriétés mécaniques
du sol requises pour la modélisation et l'estimation des mouvements du lit océanique.
Il est possible d'utiliser les estimations des mouvements du sol en fonction de la profondeur sous le lit
océanique, fondées sur les analyses géotechniques, pour prédire les actions s'exerçant sur les éléments de
structure. Les études géologiques employant des données bathymétriques historiques peuvent être utiles
pour quantifier les vitesses de dépôt pendant la durée de vie théorique de l'installation.
6.3.5 Affouillement et mobilité des sédiments
Un affouillement est un creusement des sols du lit océanique par les vagues et les courants. Une telle érosion
peut résulter d’un processus géologique naturel ou peut être causée par des éléments de structure qui
perturbent le régime d'écoulement naturel des fluides au-dessus du lit océanique.
A partir d'observations, il est généralement possible de caractériser les variations du lit océanique comme une
combinaison donnée des éléments suivants.
a) Affouillement local.
Fosses d'affouillement à parois abruptes autour d'éléments de fondation tels que pieux et groupes de
pieux, telles que rencontrées dans les modèles de ravin.
b) Affouillement global.
Bassins d'affouillement peu profonds et très étendus autour d'une structure, éventuellement dus à des
effets de la structure dans son ensemble, à l'interaction entre des structures multiples ou à l'interaction
vagues-sol-structure.
c) Mouvement global de barres sableuses, de dorsales et de hauts-fonds qui se produisent également en
l'absence de structure.
De tels mouvements peuvent entraîner un abaissement ou un soulèvement du lit océanique ou des
cycles répétés de ceux-ci. L'ajout de structures artificielles modifie souvent le régime local de transport
des sédiments et peut accentuer l'érosion, provoquer une accumulation ou n'avoir aucun effet notable.
L'affouillement peut éliminer le support vertical et latéral des fondations et provoquer ainsi un tassement
indésirable des fondations superficielles et une contrainte excessive des éléments de fondation. Lorsqu'un
affouillement est envisageable, il doit être pris en compte dans la conception et/ou son atténuation doit être
considérée.
6.3.6 Gaz peu profond
La présence de gaz biogénétique ou pétrogénétique dans l'eau interstitielle des sols peu profonds est un point
important pour la technique des fondations. Le gaz naturel in situ peut être gazeux ou lié à l'eau pour former
un solide (appelé hydrate). Outre le fait de présenter un danger potentiel lors des sondages de
reconnaissance de site et du forage des puits de pétrole, les effets du gaz peu profond peuvent être
importants pour la technique de fondation. L'effet de la dissolution et de l'expansion du gaz dans les
échantillons de sol prélevés doit être pris en compte dans le développement des paramètres géotechniques
de calcul.
6.3.7 Affaissement du lit océanique
Il convient d'étudier la nature des conditions du sol et du réservoir et les procédés d'extraction afin de
déterminer si un affaissement du lit océanique est susceptible de se produire pendant la durée de
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