Instrumentation complémentaire – la caméra rapide

Sur les six nouveaux essais, trois sont réalisés de manière strictement identique à l’es-sai n˚3. Les trois autres esl’es-sais, les n˚ 7, 8 et 9, présentent une instrumentation légèrement différente. Une caméra numérique rapide1 est utilisée afin d’observer le mécanisme et la cinématique de la rupture. Cette caméra vient en complément de l’appareil photo numé-rique. Celui-ci réalise toujours des clichés de la totalité du massif de sol, tandis que la caméra se limite à une zone de sol de 300 mm de large par 400 mm de haut environ. Ceci permet toutefois de filmer la cavité et son recouvrement jusqu’en surface.

Ces trois essais permettront donc d’avoir une meilleure connaissance du mécanisme de rupture du banc raide. Cependant, comme présenté au chapitre 2.5.3.1 page 81, l’utili-sation de la caméra rapide nécessite l’emploi de deux spots halogènes de forte puissance2

permettant d’obtenir une luminosité suffisante pour la fréquence d’acquisition choisie. Cela provoque un échauffement important de la salle d’expérimentation et du banc de test. Le matériau analogique voit lui aussi sa température augmenter de quelques degrés3. Une ventilation importante est maintenue durant la totalité de l’utilisation des spots halo-gènes mais ceci n’empêche pas l’échauffement.

Une correction des déplacements mesuré durant les étapes avant la rupture est donc nécessaire. Elle est présentée en Annexe B.

3.3.2 L’essai n˚4

Durant cet essai, la cavité est complètement ouverte. Puis il est procédé à deux in-jections d’eau au niveau du centre du toit de la cavité sur environ 10-15 mm de hauteur avant d’avoir la ruine de la cavité. L’instrumentation utilisée est la configuration ordinaire, sans la caméra rapide. La figure 3.26 présente la cuvette d’affaissement obtenue lors de la rupture.

Les déplacements avant la rupture sont relativement faibles : le maximum observé est de -0.1 mm pour la dernière étape de création de la cavité et de -0.25 mm pour la dernière étape de dégradation du banc raide. L’affaissement final présente au centre un déplace-ment maximum de -26 mm et une largeur de 550 mm. Les différentes caractéristiques sont présentées dans le tableau 3.5.

L’effondrement obtenu est presque symétrique. Les quelques écarts que l’on peut ob-server sont dûs à la nature intrinsèque du matériau analogique de Schneebeli. La cuvette présente une forme symétrique par rapport à l’axe de la cavité et les principales caracté-ristiques sont quasiment identiques à gauche et à droite.

1Débit utilisé de 250 images/s.

21500 W chacun.

FIG. 3.26 – Déplacements en surface pour l’essai 4 Vcavite 12500mm2 Vcuvette 7180mm² Vef f ondre 10132mm2 S_max 25mm ig 130mm id 120mm βg 33.7˚ β_d 30.3˚ αg -19.4% α_d 20.4%

TAB. 3.5 – Caractéristiques géométriques de l’essai 4

Les déplacements horizontaux déterminés par l’imagerie numérique sont tracés sur la figure 3.27. La forme obtenue suit sensiblement la forme théorique de la courbe des déplacements horizontaux et admet l’axe de la cavité comme axe de symétrie. La princi-pale différence porte sur les valeurs maximum de déplacement : 28 mm à gauche contre -19 mm à droite.

Le report de charge lors des étapes de création de la cavité est bien apparent sur le graphe 3.28. Cependant l’état de contrainte initial est très irrégulier. Certaines cales mo-biles reprennent un effort six à huit fois supérieur aux cales les moins sollicitées.

FIG. 3.27 – Déplacements horizontaux pour l’essai 4

3.3.3 L’essai n˚5

La rupture est obtenue sans ajouter d’eau. La cavité est complètement ouverte. Ce-pendant la procédure est très légèrement modifiée. La dernière étape qui normalement voit les cales 1 et 10 s’abaisser, est séparée en deux sous étapes : la cale 10 est abaissée ; on attend que le massif de sol se stabilise puis on abaisse la cale 1 et on attend que le massif de sol se stabilise. Peu de temps après, la rupture du banc raide se produit sans aucune perturbation extérieure. Le tableau 3.6 récapitule les principales caractéristiques de la cuvette d’affaissement obtenue.

V_cavite 12500mm2 Vcuvette 9675mm2 Vef f ondre 12007mm2 Smax 35mm ig 129mm id 130mm β_g 33.4˚ βd 33.7˚ αg -21% αd 23.7%

TAB. 3.6 – Caractéristiques géométriques de l’essai 5

Le volume de matériau effondré est très important car presque égal au volume de la cavité. Cela peut expliquer le fait que le tassement maximal soit aussi important : 35 mm. Celui-ci est d’ailleurs excentré par rapport à la cavité de 45 mm. Cela n’empêche pas la cuvette d’affaissement de rester symétrique dans son ensemble (cf. la figure 3.29).

(a) Petits déplacements (avant la rupture) (b) Rupture finale

FIG. 3.29 – Déplacements en surface pour l’essai n˚5

Les déplacements horizontaux (figure 3.30) sont globalement symétriques par rapport à l’axe de la cavité. Une perturbation importante est observable à l’abscisse -25 mm mais elle n’influence pas l’allure globale.

FIG. 3.30 – Déplacements horizontaux pour l’essai 5

Sur le graphe 3.31, les reports de charge sont très visibles et sont de plus en plus marqués au cours de la création de la cavité.

3.3.4 L’essai n˚6

La rupture est obtenue de manière purement mécanique lors des troisième et quatrième étapes de création de la cavité. Lors de la troisième étape (abaissement des cales 3 et 8), une fissuration importante apparaît au sein du banc raide et le transperce de part en part, cependant la cavité reste stable. Une légère cuvette d’affaissement est visible en surface. Elle est reportée sur la figure 3.32.

Lors de l’étape suivante, la rupture se produit durant le déplacement des cales 2 et 9. La cale 9 se retrouve coincée à mi-chemin entre sa position initiale et l’abaissement complet. Une seconde étape, nommée 4bis, est nécessaire pour placer la cale 9 en position basse.

(a) Avant la rupture (b) Après la rupture

FIG. 3.32 – Cuvettes d’affaissement obtenues pour les différentes phases de l’essai 6 Avant l’apparition d’un quelconque signe de rupture, les déplacements en surface sont très faibles. Lors de l’étape 3 durant laquelle la rupture débute, le déplacement maximum est de -2.1 mm. La forme générale de la cuvette est symétrique. Les deux cuvettes ob-tenues lors de l’étape 4 présentent peu de différence. La forme générale est la même, seule la zone centrale présente des différences au niveau de l’amplitude des tassements : respectivement -26mm et -29mm.

La largeur de la cuvette obtenue lors de ces trois étapes est sensiblement identique. De 550 mm pour l’étape 3, on passe à 600 mm à l’étape 4. On peut donc conclure que la forme des déplacements en surface est liée à la forme de la cavité. Le volume détermine quand à lui l’amplitude des tassements. Le tableau 3.7 présente un résumé des caractéristiques de la cuvette d’affaissement obtenue après la rupture.

Les différentes valeurs obtenues permettent de confirmer la forme symétrique de la cuvette obtenue, proche de celle obtenue pour les essais 4 et 5.

Sur le graphe 3.33, un décalage entre l’axe de la cavité et le point de déplacement horizontal nul est visible. Les deux extrema à gauche et à droite sont respectivement de 13.5 mm et de -11.2 mm, ce qui est assez proche.

Il n’est pas possible d’exploiter les données acquises avec les capteurs de force placés au niveau des cales mobiles car celles-ci ont été perdues accidentellement lors de l’essai.

Vcavite 10000mm2 Vcuvette 6888mm2 Vef f ondre 8935mm2 Smax 29mm ig 111mm id 106mm βg 30.6˚ βd 28.8˚ αg -19.7% αd 21%

TAB. 3.7 – Caractéristiques géométriques de l’essai 6

3.3.5 L’essai n˚7

C’est le premier essai réalisé en utilisant conjointement la caméra numérique rapide et l’appareil photo pour le suivi des déformations au sein du massif de sol. Les déplace-ments déterminés pour les étapes précédant la rupture sont donc corrigés conformément à l’approche présentée au chapitre 3.3.1 page 105, de manière à éliminer les perturbations causées par l’échauffement du matériau.

La cavité est complètement créée et reste stable. Quatre injections d’eau ont été né-cessaires pour l’apparition de la ruine de la cavité. La figure 3.34 présente la cuvette d’affaissement obtenue.

FIG. 3.34 – Déplacement en surface lors de la rupture pour l’essai 7 V_cavite 12500mm2 Vcuvette 8301mm2 Vef f ondre 11870mm2 Smax 32mm ig 116mm id 117mm βg 28.8˚ βd 29.2˚ αg -28.7% αd 23.7%

TAB. 3.8 – Caractéristiques géométriques de l’essai 7

La forme de la cuvette d’affaissement obtenue se rapproche de celle de l’essai 5. Le tassement maximum est légèrement excentré mais la symétrie de la cuvette reste valable. Le tableau 3.8 présente les différentes caractéristiques de l’essai.

Les valeurs obtenues de l’affaissement sont homogènes par rapport à celles issues des essais précédents. Seule la pente maximale à gauche est sensiblement plus importante, mais sans que cela ne sorte des limites acceptables.

FIG. 3.35 – Déplacements horizontaux pour l’essai 7

Les reports de charge sont nettement visibles sur le graphe 3.36. La répartition initiale des efforts est assez variable d’une cale mobile à l’autre. Cependant l’augmentation des efforts est sensiblement identique sur toutes les cales au cours de l’essai.

3.3.6 L’essai n˚8

C’est le deuxième essai employant la caméra numérique en plus de l’appareil photo. La rupture est obtenue lors du déplacement des cales 2 et 9. C’est donc une rupture pure-ment mécanique. La figure 3.37 présente la cuvette d’affaissepure-ment après la correction dûe à l’utilisation des spots halogènes.

FIG. 3.37 – Cuvette d’affaissement lors de la rupture pour l’essai 8

V_cavite 10000mm2 Vcuvette 7385mm2 Vef f ondre 7675mm2 Smax 28.9mm ig 120mm id 102mm βg 33.7˚ βd 37.3˚ αg -22.2% αd 23.4%

TAB. 3.9 – Caractéristiques géométriques de l’essai 8

Les principales caractéristiques de la cuvette d’affaissement sont répertoriées dans le tableau 3.9. L’affaissement maximum est de 23.4 mm, positionné à la verticale du centre de la cavité. La partie centrale de la cuvette présente une forme différente de ce qui est observé sur les autres essais. Les résultats obtenus sont vérifiés par le biais de mesures directes sur les clichés. Cela ne permet pas d’obtenir la totalité du champ de déplacement mais permet l’obtention de la cuvette d’affaissement avec une précision de l’ordre de 0.5 mm. On obtient le tracé de la figure 3.38.

FIG. 3.38 – Comparaison des cuvettes obtenues par corrélation d’images et par lecture directe sur les photos pour l’essai 8

L’affaissement maximum augmente sensiblement (28.9 mm au lieu de 24 mm déter-miné par l’imagerie numérique). Les principales différences entre la courbe obtenue par imagerie numérique et celle fournie par lecture directe sur la photo sont concentrées au niveau de la partie centrale de la cuvette. La nouvelle forme ne présente plus de partie plate au centre et est donc plus semblable aux résultats des essais précédents. Par contre, le déplacement maximum est légèrement excentré vers la gauche.

Les déplacements horizontaux obtenus par l’imagerie numérique pourraient être sujets à caution du fait de l’inexactitude observée sur la courbe d’affaissement.

FIG. 3.39 – Déplacements horizontaux pour l’essai 8

Cependant la figure 3.39 montre que l’aspect obtenu est en accord avec les résultats des autres essais.

FIG. 3.40 – Report de charges sur les cales mobiles pour l’essai 8

La figure 3.40 montre que la répartition initiale des efforts est régulière sur toutes les cales avec peu de variabilité par rapport aux autres essais. Pour une cale donnée, la valeur des reports de charge varie en fonction de l’étape. En général, le report maximum est observé lors du déplacement de la cale immédiatement voisine.

3.3.7 L’essai n˚9

C’est le troisième essai avec la caméra rapide et le dernier de la série d’essais en terrain vierge. La cavité est totalement ouverte et reste stable. Trois injections d’eau sont nécessaires avant d’obtenir la ruine de la cavité.

FIG. 3.41 – Cuvette d’affaissement lors de la rupture pour l’essai 9

Le tableau 3.10 récapitule les principales caractéristiques de la cuvette d’affaissement obtenue par imagerie numérique (cf. figure 3.41).

Vcavite 12500mm2 Vcuvette 6996mm2 Vef f ondre 9109mm2 Smax 24mm ig 134mm id 113mm βg 37.8˚ βd 33.2˚ αg -13.7% α_d 14%

TAB. 3.10 – Caractéristiques géométriques de l’essai 9

Les caractéristiques obtenues sont proches des résultats des essais précédents, sauf pour la pente maximale qui est plus faible aussi bien sur la partie gauche que droite. Cela peut être relié à l’affaissement maximal qui est aussi plus faible que ceux obtenus pour les autres essais.

Les déplacements horizontaux obtenus (figure 3.42) sont globalement symétriques par rapport à l’axe de la cavité. De plus, ils sont proches des résultats obtenus lors des essais précédents.

FIG. 3.42 – Déplacements horizontaux pour l’essai 9

La figure 3.43 présente l’évolution des reports de charge sur les cales mobiles durant la création de la cavité. Les valeurs obtenues sont conformes aux résultats des essais pré-cédents.

FIG. 3.43 – Evolution des reports de charge sur les cales mobiles pour l’essai 9 Avec les résultats issus de cette série de six essais, il est possible de déterminer le com-portement moyen qui se produit lors de l’effondrement d’une cavité. Pour cela sept essais identiques sont disponibles : les essais n˚3 à 9. La partie suivante est consacrée à l’ex-ploitation conjuguée des résultats et à la définition d’une approche théorique permettant d’aborder la prédiction des mouvements induits par l’effondrement localisé.