Mesure des contraintes dans le massif

1.2.2.1 Types de capteurs utilisés et positionnement dans le massif

La mesure de l’état de contrainte en différents points du massif est effectuée grâce à des capteurs de contrainte totale, qui peut être par ailleurs considérée comme une contrainte effective puisque la pression hydrostatique est nulle lors de nos essais. La contrainte mesurée est celle agissant dans la direction normale à la surface sensible de ces capteurs. Deux types de capteurs de contraintes sont utilisés sur le modèle réduit : 7 capteurs de marque ENTRAN (EPN 50) et 10 capteurs de marque KYOWA (BE2KC).

Les premiers de ces capteurs de contraintes (ENTRAN EPN50) sont à mode de mesure direct : leur surface sensible est directement équipée de jauges d’extensométrie. Ces capteurs ont un diamètre D de 20mm, une étendue de mesure de 50kPa et une précision de l’ordre de 0,1kPa. Le diamètre de leur cellule sensible Dc vaut 12mm et leur épaisseur e est de 15mm. La déflexion maximale δmax de leur cellule sensible n’est pas connue. Ses différentes caractéristiques géométriques seront confrontées aux recommandations existant dans la bibliographie au paragraphe 2.1.1.2.

Les capteurs de marque KYOWA (BE2KC) sont par contre à mode de mesure indirect : la surface sensible (en contact avec le sol) est séparée du diaphragme instrumenté par un fin film de mercure comme en atteste la Figure 2-7 de manière à moyenner l’action discontinue des contacts granulaires. L’instrumentation du second diaphragme consiste en 4 jauges de déformations formant un pont de Wheatstone (Figure 2-8 (a)). Ce pont de jauge est alimenté aux points A et B de ce diagramme électrique. La variation de tension générée par l’application d’un chargement extérieur est détectée aux points C et D puis filtrée et amplifiée par un conditionneur pour donner le signal électrique de sortie utilisé en pratique. Les caractéristiques géométriques de ces capteurs sont notées dans le Tableau

y = -4,9428x + 49,087 R² = 1 0 10 20 30 40 50 60 0,000 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 D ép la ce m en t ( en m m ) signal (en V) LVDT2 - 27/04/09 déplacement dans le sens positif déplacement dans le sens négatif

Chapitre 2 : Expérimentation sur modèle réduit de tunnelier à pression de terre de l’ENTPE 60 2-1 et certaines de leurs caractéristiques techniques (non linéarité, tension d’alimentation…) sont rappelées en Figure 2-8 (b). On retiendra particulièrement que ces capteurs sont de diamètres plus importants (30mm) que les capteurs ENTRAN, que leur étendue de mesure est de 200kPa et leur précision de l’ordre de 0,2kPa.

Tableau 2-1 : Caractéristiques géométriques des deux types de capteurs de contraintes utilisés sur le modèle réduit. D (mm) e/D Dc/D Dc/d50* Mode de mesure δmax/Dc

KYOWA (BE-2KC) 30 0.20 0.90 77 indirect 3.10-6

ENTRAN (EPN50) 20 0.75 0.60 34 direct ?

*d50 est le diamètre moyen du sable Hostun S28 utilisé lors de nos essais (Cf. §1.4.2).

Figure 2-7 : Capteur de contrainte KYOWA BE2KC : (a) principe de fonctionnement, (b) coupe longitudinale (d’après la documentation technique KYOWA).

Figure 2-8 : Capteur de contrainte KYOWA BE2KC : (a) schéma électronique, (b) caractéristiques techniques (d’après la documentation technique KYOWA).

Pour nos essais sur modèle réduit de tunnelier, l’ensemble de ces capteurs de contrainte est mis en place au fur et à mesure du remplissage du caisson en des points fixés et selon des directions données. Le mode de mise en place de ces capteurs dans le terrain a été défini de manière à conserver l’orientation souhaitée pour le capteur tout en minimisant les hétérogénéités locales autour des capteurs et le renforcement du massif. Ainsi, les capteurs sont maintenus en place au moyen de fils de nylon tendus entre les parois du caisson ou, lorsque c’est impossible, par le biais d’un treillis en gaine plastique souple (Figure 2-9). Le matériau est ensuite disposé autour du capteur par pluviation (conformément aux recommandations d’Hvorslev (1976), présentées dans le paragraphe 2.1.1.4) puis compacté selon la méthode décrite au paragraphe 1.4.3 en même temps que le reste de la couche. Le contrôle de l’absence de renforcement du massif par les différents capteurs a pu être effectué au cours des différents essais réalisés au travers de l’observation de phénomènes identiques lors d’essais où les positions des capteurs étaient différentes. D^c =2 3 m m D =3 0 m m e=6.2mm φ=6mm

(a) (b)

(a) (b)

Type Kyowa BE-2KC

Capacity 200kPa

Rated output (R.O.) 0.25mV/V

Non-linearity 2% R.O.

Excitation voltage (max) 4V

Bridge resistance 120.4Ω

Présentation du dispositif expérimental 61 Figure 2-9 : Photographies des différents dispositifs de fixation des capteurs de contraintes.

1.2.2.2 Procédure d’étalonnage

La mesure de l’état de contrainte dans les sols est influencée par de nombreux paramètres tels que le mode de fonctionnement du capteur (direct ou indirect), les caractéristiques géométriques et mécaniques de sa surface sensible, son mode de mise en place dans le massif de sol, les caractéristiques mécaniques de ce dernier… Une étude bibliographique détaillée ainsi que les analyses réalisées dans le cadre de ce travail de thèse pour quantifier l’incertitude sur les mesures de contraintes effectuées seront présentées au paragraphe 2.1.

Avec une vision très générale, on retiendra qu’il est toujours nécessaire de réaliser les étalonnages de capteurs de contrainte dans des conditions les plus proches possible de celles pour lesquelles ils seront utilisés afin de minimiser les erreurs commises : même matériau, même mode de fixation du capteur, même type et niveau de sollicitation, prise en compte de la totalité de la chaîne d’acquisition…

Figure 2-10 : Dispositif d'étalonnage des capteurs de contrainte.

Ainsi, lors de nos étalonnages, chaque capteur de contrainte est placé au milieu d’un échantillon cylindrique de sol confectionné à l’intérieur d’une cellule plexiglas habituellement utilisée pour les essais triaxiaux de laboratoire (Figure 2-10). Cette configuration permet l’application d’un état isotrope de contrainte autour de l’échantillon tout en minimisant les effets de bord qui pourraient apparaître dans le cas d’étalonnages dans des caissons rigides. Le matériau utilisé est celui utilisé lors des essais de creusement, mis en place à la même densité et à la même teneur en eau que le massif reconstitué pour l’essai. La pression de confinement est exercée par air comprimé, régulée par un détendeur de haute précision et contrôlée par un capteur de pression ATM 231 (STS France), d’étendue de mesure 400kPa et de précision 0,8kPa. Deux cycles de charge/décharge d’amplitude de l’ordre de 50 à 100kPa (niveau de contrainte maximal qui sera appliqué au sein du massif lors de la réalisation des essais de creusement) sont

200mm 100mm 1 1 4 6 5 3 2 7 8 Légende : 1) Chambre de calibration 2) Pression d’air 3) Membrane 4) Sol 5) Pierre poreuse 6) Capteur de contraintes 7) Fil du capteur 8) Arrivée air comprimé

Chapitre 2 : Expérimentation sur modèle réduit de tunnelier à pression de terre de l’ENTPE 62 appliqués par incréments de 5kPa à chaque capteur de manière à s’assurer qu’aucune dérive significative n’est notable. La totalité de la chaîne d’acquisition est activée lors des étalonnages.

Deux exemples de courbes d’étalonnage sont présentées en Figure 2-11. On note la bonne linéarité ainsi qu’une assez faible différence entre les réponses en charge et en décharge (hystérésis) pour les capteurs KYOWA et ENTRAN, ce qui justifie la pertinence de l’analyse des variations relatives de contraintes mesurées par ces capteurs sur modèle réduit. On s’y tiendra pour les capteurs ENTRAN. L’excellente linéarité et la très faible hystérésis des capteurs à mode de mesure indirect (KYOWA), meilleurs que les capteurs à mode de mesure direct conformément aux observations de Berardi et al (1994), nous conduira à analyser les valeurs absolues des contraintes mesurées par ces capteurs. Pour cela, une large étude consacrée à l’influence d’hétérogénéités locales (de densité, de teneur en eau…) sur la mesure de contrainte sera effectuée et présentée au paragraphe 2.1.

Figure 2-11 : Exemple de courbe d'étalonnage d'un capteur de contrainte ENTRAN (a) ou KYOWA (b).