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- 1 – LA METHODE D’IMPEDANCE MECANIQUE APPLIQUEE AU CONTRÔLE D’INTEGRITE DES FO

- 1 – LA METHODE D’IMPEDANCE MECANIQUE APPLIQUEE AU CONTRÔLE D’INTEGRITE DES FONDATIONS PROFONDES : - RECHERCHE DES VARIATIONS DE DIAMETRE - CONTRÔLE D’INTEGRITE D.DUROT Dr. Génie Civil – Dr. Géologie de l’ingénieur RINCENT BTP SERVICES RECHERCHE-EXPERTISE Maître de Conférence associé à mi-temps – Conservatoire National des Arts et Métiers de Paris Professeur de Mécanique des sols – Centre des Hautes Etudes de la Construction de Paris Résumé : La méthode d’impédance mécanique est utilisée depuis près de trente ans pour le contrôle des fonda- tions profondes. Grâce à l’étude de plusieurs paramètres, ce procédé permet de s’assurer de l’intégrité du pieu examiné en exploitant les données acquises et d’examiner les variations de diamè- tre ainsi que la qualité du contact pieu/sol Abstract : During the last 30 years, the mechanical impedance method has largely been used for the monitoring of bored pile. The study of data and signals analysis allow an access to the knowledge of the integrity of bored piles but also gives indications concerning the quality of soil/pile interactions and the evolu- tion of the diameter variability versus depth. 1 - DESCRIPTION SOMMAIRE DE LA METHODE L’essai d’impédance mécanique consiste à mettre en vibration l’élément testé au moyen d’un marteau équipé d’ un capteur de force et de mesurer la vitesse particulaire ainsi induite, au moyen d’un géo- phone. Cet essai appliqué à l’auscultation des fondations profondes est décrit dans la norme Fran- çaise NF P 94-160-4. La méthode d’impédance mécanique a été créée il y a environ trente ans pour la vérification de l’intégrité des pieux. A cette époque, la sollicitation était générée par un pot vibrant mis en place en tête du pieu à ausculter. Par la suite, l’évolution de l’électronique, de l’informatique et des moyens de traitement du signal ont permis de réduire le volume occupé par le matériel d’acquisition. Aujourd’hui, la sollicitation est impulsionnelle : elle est induite par le choc généré par un marteau équipé d’un capteur de force. C:\REX\société\présentation\impédance pieu\impédance méthode sur pieux.doc 19/02/2010 - 2 - 2 – ACQUISITION DES DONNEES 2.1 Principe Comme indiqué précédemment, la sollicitation est produite en tête de pieu par le choc d’un marteau équipé d’un capteur de force. Le signal de force obtenu en fonction du temps est enregistré grâce à une carte d’acquisition reliée à un ordinateur. La réponse vibratoire de l’élément testé est acquise grâce à un géophone mis en place préalablement en tête de pieu. Le signal de vitesse en fonction du temps est également enregistré sur ordinateur. Le principe d’acquisition est représenté en Figure 1 Figure 1 : principe d’acquisition des données 2.2 matériel Pour effectuer la mesure, il convient de disposer de matériel présentant au moins les caractéristiques suivantes : - mesure de la force en tête : le choc est généré par un marteau équipé d’un capteur de force ca- pable d’appliquer un choc dont le spectre de puissance s’étend au delà de 2 kHz - mesure de la vitesse en tête : Pour la mesure de la vitesse en tête de pieu, on utilisera préfé- rentiellement un géophone ayant les caractéristiques suivantes : Fréquence de résonance : 4,5 Hz Sensibilité : 20 Volts/m/s - système d’acquisition : Les signaux de force et de vitesse sont échantillonnés à la fréquence de 20 kHz après un filtrage passe bas d’ordre 4 dont la fréquence de coupure est fixée à 3 kHz. C:\REX\société\présentation\impédance pieu\impédance méthode sur pieux.doc 19/02/2010 - 3 - 2.3 procédure d’essai et mise en œuvre 2.3.1 informations préalables nécessaires Préalablement à l’essai, il est nécessaire de disposer d’informations qui guideront l’exploitation et le traitement des signaux. Ces informations consistent en : - nature des terrains, coupe géologique et niveau de la nappe - caractéristique mécanique des sols - caractéristiques générales de l’élément testé : longueur, diamètre recherché, présence de tu- bage… 2.3.2 mise en œuvre in situ L’acquisition s’effectue après dégagement de la tête de pieu. Celle-ci est ensuite préparée par meu- lage de façon à disposer de deux surfaces distinctes planes, horizontales, d’un diamètre de l’ordre de 10 cm . Le géophone est appliqué sur l’une des sur- face : le contact est assuré par une graisse visqueuse type graisse de silicone. L’autre surface fait l’objet d’un choc l’aide du mar- teau équipé du capteur de force (cf. photogra- phie n°1). Afin de réduire le « bruit » de me- sure, l’acquisition s’effectue au moins 3 fois pour une même position du géophone, les signaux acquis étant moyennés automatique- ment Nota : il est largement conseillée de multi- plier les positions du géophone pour l’auscultation d’une même colonne afin de disposer de plusieurs signaux dans des confi- gurations différentes. Photographie n°1 : mise en œuvre de la méthode Les signaux acquis sont validés in situ après chaque choc en observant : - les signaux de vitesse et de force qui ne doivent pas être écrêtés - le spectre de force qui doit être d’amplitude élevée à basse fréquence et être aussi large que possible. 3 – TRAITEMENT DES SIGNAUX ACQUIS 3.1 principe Le traitement numérique de la force (F) et de la vitesse (V) au moyen de transformée de Fourier conduit à l’obtention d’une courbe d’admittance (également nommée « courbe de mobilité » se rap- portant à l’élément testé et dont un exemple est présenté en figure 2. C:\REX\société\présentation\impédance pieu\impédance méthode sur pieux.doc 19/02/2010 - 4 - Figure 2 : exemple de courbe de mobilité Trois paramètres peuvent être analysés à partir de la courbe de mobilité : La raideur aux basses fréquences (proportionnelle à l’inverse de la pente à l’origine de la courbe d’impédance). Elle est exprimée en N/m. On utilise également la souplesse S, inverse de la rai- deur : S = 1/R, qui s’exprime en m/N L’écart entre maxima ou minima successifs des courbes : l 2 C f = ∆ (1) qui est proportionnel à la vitesse de propagation C dans la fondation et inversement proportionnel à la longueur l de l’élément ausculté. L’admittance N: CS 1 N ρ = (2) Cette grandeur N est inversement proportionnelle à la section de la fondation S et à la qualité du béton (ρ.C). Pour un pieu, les valeurs théoriques de ρ et c varient respectivement entre 2200kg/m3 et 2400 kg/m3 d’une part et 4000 et 4500m/s d’autre part. Le diamètre du pieu (donc sa section) étant connu, les valeurs maximales et minimales théoriques d’admittance du pieu peuvent être calculées. La mesure effectuée peut alors être comparée aux va- leurs extrêmes théoriques 0,00E+00 1,00E-07 2,00E-07 3,00E-07 4,00E-07 5,00E-07 6,00E-07 7,00E-07 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 fréquence (Hz) mobilité (m/s/N) ∆f =C/2.L intervalle d'admittance théorique souplesse (inverse de la raideur) mobilité (admittance) moyenne mesurée C:\REX\société\présentation\impédance pieu\impédance méthode sur pieux.doc 19/02/2010 - 5 - Les trois paramètres signalés précédemment présentent l’avantage d’être complémentaires entre eux. Par exemple, une forte raideur et une admittance calculée correspondant à l’admittance théorique indique que l’élément ausculté est intègre sur toute sa longueur. Inversement, une faible raideur asso- ciée à une très forte mobilité caractérisera la présence d’une striction, voire d’une cassure. L’examen de la courbe de mobilité permet donc d’obtenir des informations relatives à la qualité d’ancrage de l’élément de le terrain, à la présence de resserrement (voire de cassure) ou de bulbe et à la profondeur à laquelle se trouve cette variation de qualité. 3.2 exemple d’application : exploitation complète d’une courbe de mobilité avec recherche de variation de diamètre Dans cette optique, l’exploitation de la courbe de mobilité s’effectue de la manière suivante : - calcul de la vitesse moyenne de propagation des ondes de barre dans le pieu en recherchant l’écart fréquentiel ∆f correspondant au régime vibratoire de fond de pieu. La longueur de l’élément testé ayant été fournie, la vitesse C est déterminée à partir de la relation : C l f = ∆ . 2 . - Recherche des différents régimes vibratoires discernables et, pour chacun d’eux : détermina- tion de la mobilité moyenne correspondante et de la variation de diamètre correspondante à impédance constante. (cf. Figure 3) - Comparaison de cette première interprétation avec les paramètres de forage et de sol Figure 3 : exploitation de la courbe d’admittance 0,00E+00 5,00E-08 1,00E-07 1,50E-07 2,00E-07 2,50E-07 3,00E-07 3,50E-07 4,00E-07 4,50E-07 5,00E-07 5,50E-07 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 fréquence (Hz) mobilité (m/s/N) détermination de la profondeur et du type d'anomalie (bulbe ou striction) rayon au droit de l'anomalie déterminé à partir de l'admittance moyenne à ce niveau détermination de la vitesse des ondes de barre à partir de la réponse de fond de pieu C:\REX\société\présentation\impédance pieu\impédance méthode sur pieux.doc 19/02/2010 - 6 - L’examen de la courbe de mobilité permet donc d’obtenir des informations relatives à la qualité d’ancrage de l’élément de le terrain, à la présence de resserrement (voire de cassure) ou de bulbe et à la profondeur à laquelle se trouve cette variation de qualité. 3.3 exemple d’application : recherche de raideur de fondations et contrôle d’intégrité Il s’agit alors de contrôle d’intégrité. Dans cette optique, uploads/Geographie/ impedance-methode-sur-pieux.pdf