Cette section présente les conditions communes à l’ensemble des essais, tout d’abord le dispositif d’essai, puis les caractéristiques de la couche de sol amortissante et enfin les impacteurs.
3.3.1 Dispositif d’essai
Les tests préliminaires et la campagne principale ont été réalisés à la station d’essais de chute de blocs en vraie grandeur de l’Ifsttar à Montagnole, près de Chambéry (France). Ce site d’essai comporte une flèche horizontale de rayon de rotation 22 m implantée au sommet d’une falaise verticale haute de 70 m. Depuis cette flèche, des charges de masse jusqu’à 20 tonnes peuvent être levées et larguées grâce à un crochet électrohydraulique équipé d’un dispositif qui dissipe l’énergie de déformation mécanique libérée lors du largage des charges. La vitesse d’impact maximale est de 133 km/h et l’énergie d’impact maximale 13 500 kJ.
La Figure 3.1 est une vue en plan schématique du site d’essai. L’utilisation de l’installation est très flexible car la flèche permet des rotations sur un secteur angulaire de 90° et la grue des translations sur une longueur de 13 m à partir de l’aplomb de la falaise. Les charges larguées peuvent impacter des ouvrages à flanc de falaise ou implantés au sol.
En pied de falaise, deux dalles d’essais horizontales ont été coulées, encastrées dans la roche du site. Ces deux dalles, épaisses de 50 cm, sont de dimensions respectives en plan 6 m x 6 m et 4.5 m x 8 m. Ces dalles ont été considérées représenter la structure rigide à protéger contre les impacts par une couche de sol. Les dalles ont été instrumentées et les couches de sol à tester mises en place sur ces dalles selon les modalités décrites dans la suite de ce chapitre.
Le site étant soumis aux intempéries, tous les essais ont été réalisés entre le 15 mai 2015 et le 15 septembre 2016, pendant des périodes tempérées relativement homogènes en température, plutôt au printemps et à l’automne. A sa mise en œuvre, le sable était légèrement humide, facilitant sa mise en œuvre. Aucun essai ne fut réalisé les jours de fortes pluies.
Enfin, le dispositif de largage étant suspendu à l’extrémité d’un câble long d’une soixantaine de mètres, il fut parfois difficile d’éviter les oscillations pendulaires, dues au vent ou au mouvement engendré par l’enroulement du treuil. De ce fait, le point d’impact observé à l’aide de mires et de caméras rapides pendant l’essai, puis contrôlé par repérage de la position finale du bloc après impact (voir Section 3.5 sur le protocole d’essai), se trouvait dans un rayon de 30 cm autour du point visé au sol, depuis lequel le bloc impacteur était lentement levé avant largage. Cette difficulté, qui introduit des incertitudes, a été traitée dans le dépouillement des mesures en vue de leur interprétation.
3.3.2 Sol de la couche protectrice
Le sol utilisé pour construire la couche amortissante est un sable provenant de la carrière située sur la commune de Voglans (F-73420), exploitée par la Société des Carrières et Matériaux de Savoie, La Motte-Servolex (F-73290). Il s’agit d’un sable alluvionnaire silico calcaire 0-4 mm, roulé et lavé. La Figure 3.2 montre son fuseau granulométrique de contrôle de production et la courbe du matériau livré communiquée par la carrière.
Figure 3.2. Fuseau granulométrique de production du sable utilisé pour les essais
Des essais complémentaires d’identification et des essais de caractérisation mécanique ont également été réalisés par le Laboratoire du CEREMA à Clermont-Ferrand (France) sur un échantillon de sable prélevé pendant les essais. L’ensemble des Procès-Verbaux de ces essais sont donnés en Annexe A, relative à la caractérisation du sol constituant la couche protectrice des essais d’impact.
Les essais complémentaires d’identification ont comporté une analyse granulométrique, réalisée selon la norme Française NF P 94-056 : 19961, et une mesure de la capacité d'adsorption de bleu de méthylène par les particules de sable (VBS), selon la norme NF P 94-068 : 19982, permettant d’apprécier la quantité et la nature des particules fines. Le Tableau 3.4 rassemble les valeurs des principales propriétés d’identification du sable employé. Selon la norme d’analyse granulométrique NF P 94 056, ces caractéristiques permettent de classer le sol utilisé comme sable fin « propre » insensible à l’eau (contenant moins de 5 % en masse de particules de diamètre inférieur à 63 µm ; VBS < 0.1) et « bien gradué » (Cu de l’ordre de 7, supérieur à 6, et Cc de l’ordre de 1.5, entre 1 et 3).
Concernant les propriétés de mécanique des sols, des essais triaxiaux (quatre éprouvettes) consolidés-drainés avec mesure de changement de volume pendant le cisaillement, ont été réalisés sur le sable employé pour construire la couche protectrice. Les éprouvettes ont été reconstituées au laboratoire à une densité sèche de 1.54, correspondant à la densité résultant de la procédure de mise en œuvre retenue pour construire par passes successives compactées la couche amortissante des essais d’impact de la campagne principale.
A cette valeur de densité sèche (1.54), la résistance au cisaillement du sable est caractérisée par une cohésion effective nulle et un angle de frottement interne de 35°. Les résultats détaillés de l’essai triaxial, donnés en Annexe A, serviront ultérieurement à définir un modèle représentatif du comportement en déformations du sable, dépendant de la pression de confinement et du niveau de cisaillement par rapport à la rupture.
Tableau 3.4. Propriétés caractéristiques d’identification du sable utilisé pour les essais d’impact
Propriété Valeur d10 0.10 d30 0.32 d60 0.70 Cu 7 Cc 1.5 VBS 0.03 Où :
d10 : 10 % en masse des particules solides ont une dimension inférieure à d10 d30 : 30% en masse des particules solides ont une dimension inférieure à d30 d60 : 60% en masse des particules solides ont une dimension inférieure à d60 Cu : Coefficient d’uniformité
Cc : Coefficient de courbure
VBS : Capacité d'adsorption de bleu de méthylène (« valeur au bleu du sol »)
3.3.3 Impacteurs
Le Tableau 3.5 présente les cinq blocs impacteurs utilisés dans les essais. Pour être représentatif d’un impact par bloc rocheux, la densité de tous ces impacteurs est voisine de celle du béton (2.5). Pour chaque impacteur, la seconde colonne décrit la géométrie par une forme et une dimension caractéristique, dont la valeur est donnée en troisième colonne. La quatrième colonne indique la masse de l’impacteur et la cinquième, le diamètre équivalent de l’impacteur, assimilé à une sphère de même masse (ou densité).
Les deux premiers impacteurs sont sphériques, composés d’une coque en acier remplie de béton. Ces impacteurs, employés par Heidenreich (2004), ont été cédés gracieusement à l’Ifsttar par l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (Suisse). Le troisième impacteur, de masse voisine de celle du second impacteur sphérique, mais de forme rhombicuboctaèdrique, a été employé pour investiguer l’influence sur les résultats de la forme de l’impacteur. Enfin les quatrième et cinquième impacteurs sont également de forme rhombicuboctaèdrique, constitués de béton fibré. Ces blocs sont conventionnellement employés pour représenter des blocs rocheux dans les essais requis dans l’ETAG 0271 pour la Certification Européenne des écrans de filets pare-bloc.
Tableau 3.5 : Description et caractéristiques des blocs impacteurs
Impacteur Forme et dimension caractéristique (-) Valeur de dimension caractéristique (m) Densité (-) Masse (kg) Diamètre de sphère équivalente (m) 1 0.42 2.5 117 0.42 2 (a) 0.73 2.5 553 0.73 2 (b) 0.66 2.5 543 0.73 3 1.37 2.5 4796 1.58 4 1.58 2.5 7399 1.79