Dispositif d’essai

Comme cela a déjà été dit, le principe de l’essai de chargement dynamique consiste à générer un choc en tête du pieu à l’aide d’une masse tombant en chute libre en mesurant la force et la vitesse produites à chaque impact.

Le système de battage développé est composé de plusieurs masses d’environ 20 kg chacune qui se fixent l’une avec l’autre. Le poids total du mouton varie ainsi entre 20 kg et 300 kg (15 masses). Le poids du mouton peut éventuellement être augmenté jusqu’à 700 kg car nous disposons de 30 masses. La chute du marteau est guidée par une barre métallique vissée à la tête de battage (figure II.5.a), permettant un impact uniforme et réduisant les risques d’endommagement.

Dans ces expériences, le mouton est levé avec un palan manuel suspendu sur un trépied (figure II.5.b). Pour prendre le mouton et le laisser tomber en chute libre, nous avons utilisé une plaque métallique accrochée au palan avec quatre électroaimants, permettant d’accrocher le marteau.

Figure II.5. a) Principe du système de chargement dynamique (masses et tête de battage) et b) photo du système de battage

I.5.1. Préparation de la tête du micropieu

La tête du micropieu ne nécessite pas en général un travail de préparation particulier. Il faut juste que l’armature du micropieu soit suffisamment accessible (hauteur libre au-dessus du sol de l’ordre de 20-30 cm) et pas ou peu endommagée pour pouvoir visser la tête de battage dessus.

Dans le cas des micropieux réalisés sur le site expérimental pour la validation de la méthodologie proposée, l’armature des micropieux était composée de tubes de 1 m de longueur filetés sur 5 cm à chaque extrémité pour qu’on puisse aisément les rabouter au moyen d’un manchon.

Les capteurs sont installés sur un tube du même type que celui utilisé pour l’armature du micropieu. De cette façon, pour pouvoir visser la tête de battage sur la tête du micropieu, il est juste nécessaire de nettoyer le filetage (figure II.6.a), ensuite de fixer le manchon de raboutage (figure II.6.b) et finalement, de visser le tube comportant les capteurs (figure II.6.c).

Figure II.6. Processus d’installation de la tête de mesure au micropieu : a) tête du micropieu avec le filetage nettoyé, b) fixation du manchon de raboutage et c) installation

de la tête de mesure (avant l’installation des capteurs)

I.5.2. Instrumentation et mesures

L’instrumentation proposée est la même que celle utilisée pour l’essai de chargement à forte déformation. Nous avons utilisé deux capteurs d’accélération et 4 jauges de déformation (figure II.7), installés sur un tube du même type que celui utilisé pour la réalisation du micropieu (tête de mesure).

Figure II.7. Section de mesure

Les capteurs doivent être fixés fermement à l’acier car sinon, pour les grandes accélérations il peut se produire un glissement entre le capteur et la surface d’appui. Ce glissement peut provoquer des signaux parasites, mais il peut aussi être la cause d’un endommagement du capteur.

Les capteurs doivent aussi être installés à une distance de la tête du micropieu ou d’un changement d’impédance d’au moins 2 ou 3 fois le diamètre du micropieu ou, dans notre cas, du diamètre du tube. Cette recommandation sert à s’assurer une répartition uniforme des contraintes dans la section de mesure (Goble & Likins, 1996; Agus, et al., 2010).

(a) Jauges de déformation

Les extensomètres à fils résistants ou jauges de déformation sont des capteurs qui traduisent la déformation d’une pièce en fonction de la résistance électrique. Comme les variations de résistance des jauges sont trop faibles pour être mesurables directement, les jauges sont assemblées suivant un montage électrique en pont de Wheatstone. Suivant le nombre de jauges constituant le pont, on trouve alors des montages en quart de pont (une seule jauge dite active), en demi-pont (deux jauges actives) ou en pont complet (quatre jauges actives) (Robert, 2004). Dans les expériences réalisées, des jauges de déformation avec un montage en pont de Wheatstone complet ont été utilisées. Leurs caractéristiques sont spécifiées dans le tableau II.1.

Tableau II.1. Caractéristiques des jauges de déformation

Capteur Taille Matière Sensibilité _nominale Plage de déformation _nominale Fréquence _naturelle

Jauge de

déformation 115 x 35 x 11 mm Aluminium 380 /mV/V 3000  2000 Hz Quatre jauges de déformation ont été installées sur la tête de mesure et elles ont été vissées par l’intermédiaire d’une vis à chaque extrémité du capteur (figure II.8). Deux paires de jauges sont dans le même axe, c’est-à-dire, diamétralement opposées et les deux autres paires de jauges sont

dans un axe perpendiculaire au précédent (figure II.9). Cette configuration des jauges a pour objectif de prendre en compte le phénomène de flambement.

Vue de face Vue de latéral Vue de derrière Figure II.8. Jauge de déformation

Figure II.9. Emplacements des jauges de déformation sur la tête de mesure.

Si l’on réalise un impact « parfait », c’est-à-dire, un impact avec le marteau parfaitement centré sur l’axe du tube et où la surface d’impact de la masse est parallèle au plan d’impact de la tête de battage, la déformation mesurée par chaque jauge sera la même. Dans ce cas, les courbes de déformation en fonction du temps vont coïncider. Si l’impact n’est pas « parfait », il y aura un phénomène de flambement à cause de l’excentricité de la charge axiale et la valeur de la déformation mesurée par chaque jauge dépendra de l’axe de flambement. Cependant, la valeur moyenne de déformation mesurée sur les quatre capteurs est celle produite par un impact « parfait ».

La figure II.10 montre les courbes de déformation des quatre jauges installées avec la configuration de la figure II.9. Deux impacts sont montrés, le premier est un impact assez correct où les quatre capteurs donnent des valeurs similaires (figure II.10.a) et le deuxième impact est beaucoup moins uniforme quant aux contraintes engendrées dans la tête du micropieu et mesurées par les jauges de déformation (figure II.10.b).

(a) (b)

Figure II.10. Courbes de déformation mesurées par les 4 jauges de la tête de mesure après deux impacts de a) bonne qualité et de b) mauvaise qualité.

(b) Accéléromètres

Il existe deux types de capteurs d’accélération : piézo-électrique et piézo-résistif. Les accéléromètres piézo-électriques sont utilisés dans les pieux de tout type de matériau (acier, béton, bois) mais ils ont un bon comportement pour des impacts amortis. Par contre, les capteurs piézo- résistif sont utilisés dans tout type de pieux et pour des impacts de type acier-acier, c’est-à-dire, sans l’utilisation d’un amortisseur entre la tête du pieu et le marteau (Pile Dynamics, Inc., 2009). C’est pour cette raison que nous avons utilisé deux accéléromètres de type piézo-résistifs diamétralement opposés, fixés directement sur la tête de mesure (figure II.11). Les caractéristiques des accéléromètres utilisés sont présentés dans le tableau suivant :

Tableau II.2. Caractéristiques des capteurs d’accélération

Capteur Taille Matière Sensibilité _nominale Plage de mesure _{nominale fréquence} Plage de

Accéléromètre

piézo-résistif 45 x 25 x 30 mm Aluminium 0.07 mV/g 10000 g (20000 g max) DC à 4.5 kHz

Figure II.11. Emplacements des jauges de déformation et accéléromètres sur la tête de mesure.

(c) Mesure du déplacement

En faisant une double intégration de l’accélération par rapport au temps, il est possible de calculer le déplacement de la tête pendant un impact en fonction du temps (figure II.12). A partir du déplacement calculé, on peut distinguer deux types de déplacement : le déplacement maximal et le déplacement final ou l’enfoncement permanent.

Le calcul du déplacement à partir de l’accélération est assez précis au début de l’impact (partie élastique du déplacement). Par contre, pour le calcul de l’enfoncement permanent, cette technique de calcul peut-être très imprécise car un écart même minime de la mesure d’accélération par rapport à l’axe d’accélération nulle, peut influencer énormément le calcul du déplacement. C’est pour cette raison qu’habituellement, il est conseillé de mesurer l’enfoncement provoqué dans la tête après un impact avec une méthode indépendante de l’accéléromètre.

Dans notre cas, pour vérifier l’enfoncement et corriger la double intégration de l’accélération, nous avons utilisé un niveau optique et une règle collée à la tête du micropieu (cf. figure II.5.b). Après chaque impact, on a mesuré le déplacement final avec ce système, qui bien que n’ayant pas la précision d’un théodolite optique, est suffisamment précis pour vérifier l’hypothèse de la non

Figure II.12. Déplacement obtenu par double intégration de l’accélération lors d’un impact de la tête du micropieu

I.6. Bilan

La méthodologie développée se base sur l’interprétation des signaux mécaniques transitoires recueillis lors de l’impact d’une masse frappante sur la tête du micropieu. Du fait de leurs avantages en terme de mise en œuvre notamment, il apparaît que les essais de chargement dynamique sont mieux adaptés pour développer une méthode de contrôle des micropieux répondant aux contraintes industrielles que nous nous sommes définies (essai rapide à mettre en place et à réaliser, systématique, facile à interpréter, adaptable à toute configuration de chantier). Nous avons développé une méthodologie originale pour le contrôle de micropieu sous charges de service basée sur la solution de l’équation de l’onde proposée par Paquet (1968). Cette méthodologie elle est caractérisée par :

 un matériel portable, spécifique à la réalisation de l’essai,

 un mode opératoire pour la réalisation de l’essai,

 une procédure de mesure, de traitement et d’analyse en temps réel des signaux enregistrés lors de l’essai et

 une interprétation des résultats en temps réel.

Le principe de la méthodologie est théoriquement valide, cependant il reste faire une vérification numérique et expérimentale du protocole et le dispositif d’essai. Le chapitre suivant est consacré à l’étude numérique et expérimentale de la méthodologie et à la validation sur un site expérimental en conditions maîtrisées.

Chapitre II. Justification numérique et expérimentale de la

méthodologie

II.1. Introduction

La multitude des phénomènes engendrés lors du battage dynamique et les différences entre un pieu et un micropieu (comportement à l’interface pieu-sol, constitution, méthode de réalisation, élancement, rigidité,…) nécessitent, afin de valider l’utilisation de cette méthode au cas des micropieux et de la rendre opérationnelle, l’étude de plusieurs aspects.

Des méthodes dynamiques de contrôle de la résistance ultime des pieux existent. Cependant le principal problème de ces méthodes est l’énergie de battage nécessaire pour obtenir une estimation de la résistance suffisamment fiable. D’après Hussein et al. (1996) le poids du marteau est d’environ 2 % de la résistance du pieu à contrôler. Pour un micropieu avec une résistance ultime de 500 kN, le poids nécessaire est de 10 kN.

Les masses importantes à utiliser pour les essais dynamiques classiques sont très difficiles à utiliser dans le cas des micropieux. La plupart des micropieux sont réalisés dans des sites où l’espace est très réduit et l’accès au chantier difficile. Par ailleurs, les micropieux sont des fondations profondes avec un élancement très grand, à la différence des pieux : cela rend difficile l’application d’une énergie de battage importante par l’impact d’une masse sur la tête de l’élément. Ainsi, afin notamment de justifier les choix de l’énergie d’impact, de la masse du marteau et de l’amortisseur à utiliser, une étude paramétrique est réalisée à partir de simulations numériques. Les observations réalisées sur les modèles numériques sont ensuite vérifiées expérimentalement sur des micropieux à échelle réelle mis en place dans un site expérimental. Ces expériences permettent de valider la méthodologie générale et d’affiner le protocole d’essai en vue de définir un protocole unique.

Finalement, nous proposons un protocole d’essai et un système de battage fonction de la portance estimée du micropieu à tester.