PARTIE I. Etudes bibliographiques
IV.3. Essais de chargement
IV.3.1. Introduction
L’essai de chargement statique sur fondations profondes a commencé comme une façon de vérifier que les pieux en bois battus puissent supporter les charges prévues. La réaction de l’essai était composée par le matériel le plus lourd disponible dans le chantier (Hertlein & Davis, 2006). A cette époque, les charges de service étaient moins importantes qu’aujourd’hui et trouver donc un système de réaction approprié n’était pas difficile à réaliser. Toutefois, avec l’apparition de nouvelles techniques et de nouveaux matériaux, d’abord l’acier et plus récemment le béton armé, la capacité portante des pieux accrue considérablement. Cela a fait que la réalisation de l’essai de chargement devienne plus compliquée.
A cause de l’encombrement et le temps nécessaire pour réaliser un essai de chargement statique, dans la troisième décennie du 20e siècle, les ingénieurs se sont tournés sur l’utilisation
des formules de battage pour vérifier la capacité portante de pieux battus (Hertlein & Davis, 2006). Ces méthodes utilisent l’enfoncement mesuré à chaque impact avec l’énergie d’impact estimée pour calculer la résistance à la pénétration du pieu. Les coûts de contrôle se sont réduits considérablement et encore aujourd’hui il est rare voir l’exécution d’un essai de chargement statique sur un pieu battu.
Il existe d’essais de chargement axial (en compression ou en traction) et des essais de chargement latéral. A continuation nous traitons les essais de chargement statique en compression et en traction, les essais de chargement rapide axial (par exemple Statnamic) et les essais de chargement dynamique axial. L’objectif de cette présentation d’essais de chargement est de montrer quels sont ses avantages et la faisabilité d’application sur les micropieux.
IV.3.2. Essais de chargement statique
La réalisation d’essais de chargement de pieux vise de façon générale à déterminer la charge de service admissible ainsi que les enfoncements correspondants en tête, afin d’évaluer le comportement du système sol-fondation et de contrôler la compatibilité avec la superstructure de l’ouvrage. Les essais de chargement sont justifiés, principalement sur les chantiers de taille importante, parce qu’ils permettent de contrôler le coût des fondations de façon plus fiable que par l’application des méthodes théoriques, empiriques ou semi-empiriques (Bustamante, et al., 1988). Un essai de chargement statique es normalement réalisé pour :
déterminer la courbe charge-enfoncement particulièrement dans la région qui est prévu travailler le pieu ;
vérifier que le comportement ne montre pas d’amorce de fluage (essai de contrôle) ;
déterminer la résistance limite (essai à la rupture).
(a) Méthodologie
Les essais de chargement statique axial sont menés normalement avec paliers de chargement maintenus un temps déterminé. La charge est appliquée au moyen d’un dispositif de réaction ancré sur des tirants précontraints ou des pieux spécifiquement réalisés pour l’essai, jusqu’à arriver à la charge maximale (figure I.48). Tout au long de l’essai on mesure le déplacement dans la tête du pieu et la charge appliquée en fonction du temps.
En France, les normes NF P94-150-1 et NF P94-150-2 décrivent les caractéristiques de l’appareillage lié à l’essai, fixent le mode opératoire et fournissent la méthode de calcul des différents paramètres relatifs à l’essai de chargement avec un effort axial en compression ou en traction. Par ailleurs, compte tenu du temps de réalisation (ce qui se traduit pour une augmentation du prix de l’essai), aux Etats-Unis, la norme américaine ASTM D1143 permet de réaliser un essai de chargement statique « rapide » permettant donc de réduire le temps de réalisation. En fait, il est possible d’appliquer de paliers de charge de 10 à 15 % la charge de calcul, maintenus constant pendant 2,5 min. Une fois que la charge maximale de l’essai est atteinte, on le laisse chargé pendant 5 min. Cet essai peut être réalisé dans environ 1 h.
Essai statique en compression
Quant au protocole d’un essai à la rupture, la norme NF P94-150-1 prescrit deux cycles de chargement (figure I.48). Le premier cycle consiste à réaliser 5 paliers de chargement. Lors de la phase de chargement ces sont maintenus à charge constante pendant une durée de 60 min. Lors du déchargement, les paliers ont une durée de 5 min. Le deuxième cycle se fait avec un chargement jusqu'à Qmax ou jusqu'à la rupture du sol. Les nouveaux paliers jusqu'à 0,5 Qmax sont maintenus 30 min. Les charges sont appliquées par incréments égaux à 0,1 Qmax et la charge maximale de l’essai Qmax à laquelle il est prévu de soumettre le pieu d'essai à la rupture est déterminée par les expressions suivantes :
𝑄𝑚𝑎𝑥 = 1,3. 𝑅𝑐;𝑑 équation I-85
et
𝑄𝑚𝑎𝑥≤ 0,9. 𝑅𝐺 équation I-86
où : Rc;d : résistance de calcul en compression ;
RG : charge limite élastique des matériaux constitutifs.
Figure I.48. Essai à la rupture sous un effort de compression (NF P94-150-1, 1999) Pour l’essai de contrôle, la charge d'essai ne doit excéder en aucun cas Qe. Le chargement
se fait par palier de 0,2 Qe jusqu'à Qe. Chaque palier est maintenu à charge constante pendant 1 h
(voir figure I.49). L’effort maximal Qe est fixé en fonction de l’effort axial de compression appliqué
au pieu en service.
𝑄𝑒≤ 1,3. 𝑄𝑐;𝐸𝐿𝑆 équation I-87
Qc;ELS est la charge sur le pieu à l’état limite de service.
Figure I.49. Essai de contrôle sous un effort de compression (NF P94-150-1, 1999)
Essai d’arrachement
Quant au protocole d’un essai à la rupture, la norme NF P94-150-2 prescrit des paliers de chargement de 0,1 Qtmax maintenus constants pendant 60 min deux cycles de chargement (figure
I.50.a). L'effort de traction maximale Qtmax auquel il est prévu de soumettre le pieu d'essai est
fonction de l'effort d’arrachement limite Rt;d, estimé à partir des données géotechniques, et de
𝑄𝑡𝑚𝑎𝑥= 1,5. 𝑅𝑡;𝑑 équation I-88
et
𝑄𝑡𝑚𝑎𝑥 ≤ 0,9. 𝑅𝑡𝐺 équation I-89
(a) (b)
Figure I.50. a) Essai à la rupture sous un effort de traction et b) essai de contrôle sous un effort de traction (NF P94-150-2)
Dans l’essai de contrôle en traction la valeur de l'effort de traction à appliquer (Qte) est fixée
contractuellement en fonction de la valeur de l’effort auquel sera soumis le pieu à l’ELS (Qt,ELS).
𝑄𝑡𝑒≤ 1,3. 𝑄𝑡,𝐸𝐿𝑆 équation I-90
Les efforts de traction sont appliqués jusqu'à Qte par incréments égaux à 0,2 Qte. Ils sont maintenus constants pour chaque palier pendant 60 min (figure I.50.b).
(b) Interprétation
Il existe plusieurs critères permettant d’obtenir la charge de rupture conventionnelle, à titre d’exemple, on citera ci-dessous quatre critères :
la charge qui correspond à une progression de l’enfoncement sans variation de la charge ;
la charge qui correspond à un enfoncement mesuré dans la tête de B/10 ou de 20 mm (plus grande des 2 valeurs). B étant le diamètre du pieu. Ce critère est le prescrit par la norme (NF P94-150-1) ;
la charge qui correspond à un déplacement de 10 mm dans la pointe du pieu (NF P94- 150-2) ;
le critère de Davisson (1972) : en se basant sur la comparaison des essais de chargement statique et des résultats de l’analyse de l’équation de l’onde dans des pieux métalliques battus. Il définit la charge de rupture comme l’intersection avec la courbe charge-enfoncement d’une ligne droite avec une pente de L/EpAp (L : longueur
du pieu, Ep : module élastique du matériau et Ap : section du pieu) et commençant à
un enfoncement de s0, calculé par l’équation suivante :
𝑠0= 3,8 +
𝐵
Figure I.51. Courbe de charge-enfoncement avec la représentation du critère de Davisson. D’après (Zheng, et al., 2007)
La charge critique de fluage (Qc) est déterminée par une construction effectuée sur la courbe
(n, Qn/Qmax). Les parties linéaires du début et de la fin de cette courbe sont prolongées jusqu'à leur
intersection, la bissectrice de l'angle qu'elles forment recoupe la courbe (n, Qn/Qmax) au point Qc /Qmax (figure I.52).
Figure I.52. Courbe n, Qn/Qmax (NF P94-150-1, 1999)
À chaque palier est calculée la pente n du segment de la courbe de déplacement en fonction du logarithme décimal du temps entre les temps : t = 30 min et t = 60 min.
𝛼𝑛 = (𝑠t;60− 𝑠t;30)𝑛/𝑙𝑔2 équation I-92
étant st le déplacement mesuré dans la tête du pieu.
IV.3.3. Essais de chargement rapide
D’un point de vue physique, on peut classer l’essai RLT comme un essai dynamique car pendant l’essai on provoque des phénomènes dynamiques, certainement moins importantes que dans un essai DLT mais qui ne sont pas négligeables.
La différence majeure entre un essai DLT et un essai RLT réside dans la durée de la force d’impact. Dans un essai RLT, la durée varie normalement entre 50 et 200 millisecondes (Holeyman, 1992), laquelle est 10 ou 20 fois plus longue que dans les essais dynamiques (Huy, 2008). Cette durée plus longue entraîne une réduction significative dans la magnitude de l’onde de contrainte (accélération et vitesse faibles) mais permet de simplifier la méthode d’analyse (réduction des effets dynamiques). La distinction entre les deux essais se fait par une valeur appelée « Nombre d’Onde » Nw (wave number) (cf. équation I-93), qui représente le rapport entre
la durée de la force d’impact et la longueur du pieu (Middendorp & Bielefeld, 1995; Holeyman, 1992).
𝑁𝑤=
𝑇. 𝑐𝑡
𝐿 équation I-93
Où T est la durée la charge appliquée, ct est la célérité de l’onde de propagation dans le pieu
et L est la longueur du pieu. D’après le « Comité de Développement des Essais de Chargement Rapide » au Japon, si un essai a une valeur de Nw comprise entre 10 et 1000, cet essai peut être
considéré comme un essai rapide (Kusakabe et al, 1998). Les essais RLT les plus connus sont l’essai Statnamic (STN) (Bermingham & Janes, 1989; Middendorp, et al., 1992) et l’essai Dynatest (Gonin, et al., 1984).
(a) Essai Statnamic
L’essai Statnamic (STN) a été développé conjointement par Bermingham Corporation Limited (Canada) et TNO Building & Construction Research (Pays-Bas) en 1988. Il constitue une alternative efficace à l’essai de chargement statique, surtout pour les fondations profondes de grande portance (Bermingham & Janes, 1989).
Le dispositif de chargement d’un essai STN (figure I.53) consiste en une chambre de pression, une masse de réaction et un système de réception. La combustion d’un carburant solide dans la chambre produit une pression qui se traduit par l’application d’une force montante dans la masse de réaction et une force descendante dans le pieu, qui pousse le pieu dans le sol. Le système de réception est utilisé pour éviter que la masse de réaction tombe sur la tête du pieu. La masse est accélérée à peu près jusqu’à 20g. Le poids de la masse de réaction est compris entre 5 et 10 % de la charge de rupture.
A. Pieu
B. Cellule de charge C. Cylindre
D. Piston avec chambre E. Plate-forme F. Silencieux G. Masse de réaction H. Récipient de sable I. Sable J. Laser K. Rayon laser L. Capteur laser
Figure I.53. Configuration de l’essai Statnamic (Hoefsloot, 2010)
La force est mesurée par une cellule de charge qui est montée directement entre le dispositif de chargement et la tête du pieu. Le déplacement est mesuré par un capteur optique de déformation et l’accélération est mesurée par un accéléromètre placé proche de la tête du pieu.
La figure I.54 montre des résultats typiques de la force appliquée et du déplacement du pieu en tête obtenus lors d’un essai STN, ainsi que la variation de la charge en fonction du déplacement.
Figure I.54. Résultats typiques d’un essai STN (Huy, 2008)
(b) Essai Dynatest
L’essai Dynatest (Gonin, et al., 1984) consiste à laisser tomber une masse sur un nombre de ressorts installés dans la tête du pieu (figure I.55.a). La force est mesurée par une cellule de charge, le déplacement est mesuré par un capteur optique de déformation et l’accélération est mesurée par un accéléromètre. Des exemples de mesures de charge, déplacement, accélération et vitesse sont montrés dans la figure I.55.b.
a) b)
Figure I.55. a) Equipement pour l’essai Dynatest et b) exemple des mesures pris dans un essai Dynatest (Gonin, et al., 1984)
IV.3.4. Essais de chargement dynamique
(a) Principe
L’essai de chargement dynamique consiste à appliquer, dans la tête d’un pieu, une charge dans un espace du temps très réduit. Du point de vue de cette définition, tous les essais qui se basent sur l’application d’une force dynamique seront donc des essais de chargement dynamique. Or, on peut classer les essais dynamique en deux catégories : les essais à faible déformation (ou contrainte) et les essais à grande déformation. Cependant, quand on parle des essais de
chargement dynamique (DLT) on se réfère toujours aux essais de chargement à grande
déformation.
L’essai de chargement dynamique à faible déformation, appelé LSDT pour sa dénomination en anglais (Low-Strain Dynamic Testing), consiste à frapper la tête d’un pieu avec un marteau manuel en mesurant la force et l’accélération pendant l’impact. L’essai d’impédance, traité dans le § IV.2.2.a, est un exemple d’essai LSDT. Au départ la méthode de réponse transitoire ou méthode
d’impédance qui est en fait une méthode dynamique mais à faible déformation a été développée pour vérifier l’intégrité structurelle (Jalinoos, et al., 1996). Cependant elle peut aussi s’utiliser pour estimer le comportement mécanique du pieu (Shisheng, et al., 1992; Imada, et al., 2000; Mayne & Schneider, 2001; Caballero, 2007).
Les essais de chargement dynamique à grande déformation (DLT), appelés aussi HSDT pour sa dénomination en anglais (High-Strain Dynamic Testing), impliquent normalement l’utilisation d’un masse tombante dans la tête du pieu et au même temps on mesure les contraintes et l’accélération induits. L’essai DLT dans les fondations profondes est basé sur la théorie unidimensionnelle de propagation de l’onde de contrainte entraînée par l’impact du marteau qui voyage à travers le pieu en activant la résistance du sol. Les informations qu’on peut retirer d’un essai dynamique sont (GEO, 2006) :
la résistance limite du pieu et la courbe charge-enfoncement ;
l’énergie délivrée par le marteau ;
les contraintes maximales dans le pieu ;
l’intégrité du pieu.
L’estimation de la résistance limite est l’application la plus difficile. Il y a plusieurs raisons à cela (Corté, 1986; Holeyman, 1992) :
la réponse à un chargement de très brève durée peut s’avérer totalement différente de celle exhibée sous chargement quasi statique. Dépendance de la contrainte de cisaillement et le module du sol avec la vitesse.
la résistance de certains sols, dotés de propriétés thixotropiques, peut être temporairement réduite dans une proportion très importante pour croître de nouveau après plusieurs semaines de repos ;
l’impact engendre, dans les horizons saturés, des surpressions interstitielles qui réduisent les contraintes intergranulaires et par là-même affectent le frottement latéral et la résistance de pointe mobilisables. Le phénomène de consolidation qui suivra le battage va, à l’inverse, faire croître ces caractéristiques limites ;
les effets d’amortissement inertiel et radiation de l’énergie, lesquelles dépendent de la fréquence.
En France il existe une norme expérimentale (XP P 94-152) qui a inspiré la formulation de la norme européen EN 22477-4. Malgré les avantages, l’essai DLT reste très peu utilisé. Une des raisons est l’utilisation d’une masse tombante et l’autre la complexité technique et dans l’interprétation de l’essai qui requiert grande expérience et contrôle.
(b) Méthodes d’analyse des essais dynamiques
Il existe trois types de méthodes d’analyse d’un essai dynamique :
les méthodes analytiques (par exemple Case (Rausche, et al., 1972), TNO (De
Josselin De Jong, 1956), réponse transitoire ou impédance (Paquet, 1968) (cf. § III.3), etc.), elles font une analyse sur les mesures obtenues à chaque coup en se basant sur la théorie de la propagation de l’onde ;
les méthodes d’analyse globale (par exemple la formule de battage), considèrent
uniquement l’énergie transmise au pieu et le tassement induit. Elles sont rapides et ne nécessitent pas toujours une instrumentation du pieu, mais se basent sur des hypothèses de comportement dynamique des sols et du pieu, ce qui les rend structurellement moins précises que la méthode par calage ;
les méthodes numériques (par exemple CAPWAP (Rausche, et al., 1972),
TNOWAVE (Middendorp, et al., 1992), SIMBAT (Paquet, 1988), etc.), font une simulation numérique de l’événement dynamique pendant l’essai. Le modèle est utilisé pour déterminer les paramètres qui définissent la réaction du sol mobilisée. L’objectif
principal de la méthode est d’ajuster les paramètres qui caractérisent le modèle d’interaction pieu/sol jusqu’à satisfaire un critère basé sur la mesure obtenue à partir de l’essai de chargement dynamique. Une fois le critère atteint, le modèle est considéré comme représentant correctement le système pieu/sol (Charue, 2004). Le tableau I.7 donne une description succincte des méthodes les plus connues. La plupart de ces méthodes ont été conçues pour vérifier la résistance limite des pieux. Une description plus détaillée des méthodes les plus utilisées pour prédire la résistance limite à partir d’essais de chargement dynamique sera abordée dans paragraphes suivants.
Tableau I.7. Synthèse des quelques méthodes d’analyse des essais dynamiques
Méthode Description Méthodes analytiques Case & TNO
Calculent la résistance statique du sol lors de l’impact à partir des signaux obtenus par des jauges extensométriques et des accéléromètres qui permettent de mesurer la force et la vitesse de l’onde engendrée sous un coup de marteau.
Sont des méthodes directes et qui donnent une seule solution et elles sont appliquées principalement au battage des pieux.
Réponse transitoire
Technique dynamique de basses déformations qui se base sur la mesure d’un géophone installé dans la tête et la mesure de la force d’impact.
Développée pour contrôler l’intégrité et la raideur du pieu. Méthodes d’analyse
globale
Elles se basent sur la mesure de l’enfoncement provoque par l’impact d’un marteau dans la tête du pieu. La résistance du pieu est calculée en utilisant le principe de conservation de l’impulsion. Principalement utilisées dans le battage des pieux.
Méthodes numériques
CAPWAP & TNOWAVE
Basées elles aussi sur la théorie de la propagation de l’onde et sur la comparaison entre l’onde réfléchie à l’onde incidente, elles établissent itérativement un modèle numérique de sol qui génère une onde réfléchie similaire à celle enregistrée. La résistance limite du pieu est établie en distinguant les frottements visqueux de la résistance statique des sols.
Le critère de vérification du modèle est basé sur le calage du signal d’entrée (force ou vitesse) avec le signal généré dans le modèle. Ces méthodes n’ont pas une seule solution.
SIMBAT
Cette méthode prendre tous les impacts d’un essai pour déterminer la courbe équivalente de charge-enfoncement, à la différence de CAPWAP et TNOWAVE qui prennent un seul impact pour faire l’analyse. Les impacts à faible déformation servent à contrôler l’intégrité du pieu, à calculer la raideur dynamique et la viscosité avant la rupture du sol ; les impacts à grande déformation servent à calculer la viscosité et la résistance limite du sol.
Le critère de vérification du modèle est lié à l’enfoncement permanent.