Le modèle physique bidimensionnel
2.5 Conception d’un bâti expérimental
Mahamma (2002) et Caudron (2003) ont utilisé le matériau de Schneebeli pour re-présenter la formation d’un affaissement minier et d’un fontis. Le processus retenu pour la création de la cavité à l’origine des mouvements de terrain présente une forte variabi-lité. En effet, Mahamma utilisait un cylindre qui était enfoncé à différents endroits dans le massif de sol pour reproduire l’effondrement d’une ou plusieurs cavités successives. Caudron (2003) peint les rouleaux correspondant à la géométrie de la cavité désirée puis ceux-ci sont enlevés manuellement, étape par étape jusqu’à création complète de la cavité. Il est donc évident que d’un essai sur l’autre, l’ordre de retrait des rouleaux peut varier de manière importante.
Il est donc nécessaire qu’un bâti expérimental soit spécialement conçu pour permettre de reproduire la formation d’une cavité en éliminant autant que possible les différentes sources d’incertitude. Un cahier des charges doit être réalisé avant de rechercher la solu-tion la plus adaptée.
2.5.1 Critères de choix d’une solution technique pour le bâti
expéri-mental
Le premier point qui semble important est de perturber le moins possible le massif de sol lors de la création de la cavité. Il faut donc éviter tout mouvement et frottement important entre le mécanisme qui sera utilisé et le massif de sol. Il faut aussi que le processus utilisé soit répétitif et permette ainsi de réaliser plusieurs essais avec la même sollicitation.
Au niveau de l’effondrement de la cavité, il apparaît primordial que la rupture puisse apparaître au toit. La rupture des piédroits ou d’un pilier peut aussi être à l’origine d’un fontis mais ce mécanisme est moins fréquent et plus complexe à modéliser.
2.5.2 Solution retenue
Le principe qui émerge de ces différents critères est l’utilisation de cales escamotables. Un certain nombre de cales seraient pilotables verticalement. Une approche similaire est utilisée par Nakai et al. (1997) et Shahin et al. (2004) dans leur étude de l’influence de la présence d’une structure sur les mouvements de sol lors du creusement d’un tunnel.
Le comportement des pièdroits n’est pas pris en compte dans cet appareillage, seule une rupture par le toit peut survenir. Un appareillage constitué d’un bâti-support en forme de U et d’un mécanisme composé de dix cales mobiles permet de représenter la création de cavités ayant pour dimension 25 à 100 mm de hauteur et 50 à 250 mm de largeur7. Chaque mobile est équipé d’un capteur de force qui permettra de suivre l’évolution de la charge transmise par le massif de sol en contact avec l’élément. Les figures 2.27 et 2.28 illustrent le fonctionnement de ce dispositif.
Le bâti-support en forme de U présente une largeur fixe de 750 mm. Le mécanisme de création de la cavité est vissé au fond de celui-ci. La hauteur utilisable pour le re-couvrement de la cavité est au maximum de 400 mm. Compte tenu du facteur d’échelle
7Quatres hauteurs différentes sont possibles, par pas de 25 mm, tandis que la largeur varie de 50 à 250 mm par pas de 25 mm.
FIG. 2.27 – Vue de principe de l’appareillage permettant la création de la cavité
(a) Mécanisme de
création de la cavité. (b) Les deux cales centrales sont abaissées.
FIG. 2.28 – Dispositif de création de la cavité
géométrique, cela correspond à un massif de sol réel de 30 m de large pour un recouvre-ment de 16 m au maximum. Les dimensions de la cavité sont donc au minimum de 2 m de large par 1 m de haut et au maximum de 10 m de large pour 4 m de haut.
Par rapport au bâti expérimental utilisé par Mahamma et Caudron, le temps de prépa-ration est réduit de 2/3. La seconde conséquence porte sur la précision de la corrélation d’images numériques. Avec une surface plus faible à suivre, le ratio pixel/mm augmente et donc la précision de la méthode aussi, ce qui permet d’atteindre un écart moyen de 0.008 mm et un écart maximal de 0.05 mm, comme présenté page 63.
Le fonctionnement de ce bâti est d’abord testé avec un recouvrement uniquement pulvérulent afin de s’assurer de son bon fonctionnement. Aucun problème particulier n’a été observé.
2.5.3 Instrumentation de l’essai
Bien que déjà partiellement abordée dans les parties précédentes, l’instrumentation minimale utilisée au cours d’un essai de fontis que ce soit en terrain vierge ou en présence d’une structure est rappelée.
2.5.3.1 Suivi des déformations du sol par imagerie numérique
Deux méthodes complémentaires sont utilisées pour suivre les déformations au sein du massif de sol. La première est utilisée systématiquement. Il s’agit de l’utilisation d’un appareil photo numérique de type réflex : Canon EOS 30D. Il est employé pour capturer à des instants précis et avec une précision intéressante l’état de la totalité du massif de sol.
Combiné à l’utilisation du logiciel Icasoft, cela permet de suivre les déplacements et les déformations dans le massif de sol au cours de l’essai. La principale limite à cette méthode provient de la nature ponctuelle au cours du temps des informations qu’il fournit et de la méthode utilisée par le logiciel Icasoft8.
La seconde méthode passe par l’utilisation d’une caméra numérique rapide. Elle per-met le suivi des déformations sur une portion du massif de sol, en l’occurence le recou-vrement à la verticale de la cavité. La haute fréquence d’acquisition employée9 permet de détailler la cinématique et le mode d’apparition de la rupture : par moment fléchissant ou par effort tranchant. Cependant la trop faible précision associée au capteur utilisé li-mite grandement l’utilisation de la corrélation d’images numériques pour l’obtention de résultats quantitatifs sur les déplacements.
Deux inconvénients accompagnent l’emploi d’une caméra rapide. Les spots d’éclai-rage qui sont nécessaires pour obtenir une luminosité suffisante provoquent un échauf-fement non homogène dans le massif de sol, ce qui peut perturber le comportement de celui-ci. Son emploi conjoint à l’appareil photo numérique oblige l’introduction d’un cer-tain paralaxe au niveau des deux appareils. Cette distorsion, difficilement quantifiable, est une source d’erreur supplémentaire. Cependant on peut la négliger en plaçant les deux appareils à grande distance du bâti expérimental (environ 4 m pour l’appareil photo et 7 m pour la caméra), ce qui limite l’angle par rapport à la normale.
2.5.3.2 Suivi des reports de charge du sol sur les cales amovibles
Les capteurs de force placés dans les cales amovibles permettent de suivre l’évolution des forces appliquées par le massif de sol sur les cales. Ceci est particulièrement intéres-sant durant la création de la cavité pour essayer de quantifier la formation d’une voute de part et d’autre.
Ces capteurs sont reliés à une centrale d’acquisition de marque Datataker. Elle permet de réaliser l’acquisition simultanée des dix capteurs utilisés toutes les deux secondes. La précision des capteurs utilisés est de l’ordre de 5 N. A titre d’indication, la charge initiale que reprend une cale mobile avec un recouvrement de 300 mm est de l’ordre de 30 N. La précision permise par l’appareillage utilisé est donc de l’ordre de 16%, ce qui n’est pas optimal mais se trouve en partie compensé par la grande fréquence d’acquisition utilisée.
8L’hypothèse de milieu continu peut être mise en défaut en cas de déplacement important des rouleaux entre deux clichés.
2.5.3.3 Instrumentation supplémentaire pour les essais en présence d’une structure Les essais qui sont réalisés au chapitre 4 nécessitent une instrumentation complémen-taire pour la structure. Des capteurs de déplacements de type LVDT sont utilisés pour suivre le déplacement vertical des semelles de celle-ci. Des jauges de déformation dont la position a été étudiée afin de correspondre aux lieux de déformations les plus impor-tantes permettent de suivre les déformations au sein de la structure. Cette instrumentation complémentaire est raccordée à la même centrale de mesure que celle utilisée pour les capteurs de force.