08-Essais de chargement dynamique de pieux - cfms … · EQUIPEMENTS DE CONTROLE DES FONDATIONS...
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EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
L’ ESSAI DE CHARGEMENT
DYNAMIQUE DE PIEUX
(Méthode dite par « calage », ou « PDA », ou « CAPWAP »)
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
Objectif et historiqueLa méthode d’essai de chargement dynamique permet d’évaluer la capacité portante statique d’un pieu au moyen d’une sollicitation dynamique (impact).
Les capacité portante telle que mesurée au moyen d’un essai de chargement dynamique est en bonne cohérence avec les essais statiques. Les écarts observés, généralement inférieurs à 15%, relève principalement du temps de cicatrisation des sols et du choix de critère de rupture.
Essai statique Essai statique
Ess
ai d
ynam
ique
Ess
ai d
ynam
ique
Ref : CORRELATION OF CAPWAP WITH STATIC LOAD TESTS
Garland Likins and Frank Rausche, Stress Wave Conf 2004
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
Objectif et historiqueLa méthode d’essai de chargement dynamique permet de tester un grand nombre de pieux en un temps et pour un coût extraordinairement réduits, ce qui induit une fiabilitédes fondations très améliorée par rapport aux essais statiques seuls.
L’essai de chargement dynamique de pieux se développe dans les années 60 en Amérique du Nord. Son usage se répand dans les pays nordiques, au Japon et en Amérique Latine. Son caractère très économique séduit également les pays émergents qui l’adoptent massivement, au prix parfois de la rigueur de l’exécution et de l’analyse, et donc de la fiabilité et de la précision des résultats.
L’industrie pétrolière en général, et offshore en particulier, très familière des problématiques de battage de pieux, adopte rapidement la méthode pour la fiabilitéqui peut être obtenue en testant un grand nombre de pieux.
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
Objectif et historique
Aujourd’hui, la plupart des codes de construction internationaux encouragent l’usage des essais de chargement dynamique. Plusieurs milliers sont exécutés dans le monde chaque année, dont moins d’une dizaine en France.
L’Eurocode 7 autorise une réduction sensible des coefficients de sécurité de dimensionnement des fondations, si celles-ci sont contrôlées au moyen d’essais de chargement dynamique, conjointement à un essai statique pour chaque type de sol et de pieu.
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
Principe théoriqueOn se place dans l’hypothèse où le pieu est un milieu élastique continu de dimension 1.
On démontre que les champs des déplacements, vitesses particulaires, accélérations, contraintes, sont des ondes.
Rft
tzm
z
tzmE =∂
∂−∂
∂×2
2
2
2 ),(),(ρ
z
z
f1
f1
t = t1
t = t1
z2 - z1 = c x (t2 - t1)
z1 z2
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
Dès lors, on sait décomposer l’onde en onde montante et onde descendante en tout endroit du pieu:
� Onde montante F↑ = ½ (F-ZV)
� Onde descendante F↓ = ½ (F+ZV)Avec Z = EA/c impédance mécanique du pieu
F (kN) et V (m/s) Force et vitesse mesurées
A (m²) et c (m/s) section et vitesse de l’onde
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
Réflexion de l’onde sur un frottement latéral
½R
R
(Source: PDI)
Un frottement latéral réfléchit l’onde incidente en une onde montante compressive
F↑F↓
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
Réflexion de l’onde en pointe
F↑2
Ri
L’onde incidente est réfléchie en une onde montante :
� En compression sur une « pointe forte »
� En tension sur une « pointe faible»
F↓1
Rb
F↑F↓
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
Schéma de réflexion de l’onde incidente
2L/ct = 0 L/c
LL
xx
Ri-½Ri
RB
½Ri
RB
F↓ -F↓
½Ri
2x/c
(Source: PDI)
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
Réflexion de l’onde à une discontinuité du pieu(principe de la méthode de contrôle d’intégrité par impédance)
(Source: PDI)
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
MODÉLISATION DU COMPORTEMENT DU SOL LA DYNAMIQUE DU SOL EN COURS DE BATTAGE
La résistance totale (en frottement ou en pointe) se décompose en une composante statique et une composante visqueuse.
La composante statique est du type élasto-plastique
u
Ru
Rs
ks = Ru /q
1
quake, q
Rs+Rd
La composante dynamique est du type visqueux, càd proportionnelle à la vitesse
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
MISE EN ŒUVRE : L’ANALYSE PRÉLIMINAIRE
Il est fortement recommandé d’effectuer une analyse préliminaire à l’essai. Cette analyse se fait par résolution numérique de l’équation d’onde dans le système mouton/pieu/sol (logiciel GRL WEAP), sur la base d’hypothèses raisonnables de comportement de sol.
L’objectif:- Vérification des contraintes dans le pieu. Une onde en compression se réfléchit sur une pointe peu résistante en une onde en tension, qui peut générer des dommages au pieu. -Adéquation du marteau: l’analyse permet d’établir la masse et la hauteur de chute requises du mouton. La masse du mouton est de l’ordre de 1% à 3% de la capacité statique à démontrer. La hauteur de chute est de l’ordre de 0,5 à 2,5 m.
Com
pre
ssiv
e S
tress
(M
Pa)
0
2
4
6
8
10
Tensi
on S
tress
(M
Pa)
0
2
4
6
8
10
Set (mm/10 bl)
Stroke
(m
)
0 4 8 12 16 20 240.00
0.30
0.60
0.90
1.20
1.50
KELLER Drp4t
Capacity 1000.0 kNEfficiency 0.600
Helmet 0.00 kNPile Cushion 10990 kN/mm
Skin Quake 2.500 mmToe Quake 2.500 mmSkin Damping 0.200 sec/mToe Damping 0.500 sec/m
Pile LengthPile PenetrationPile Top Area
12.30 11.50
2123.72
m m cm2
Pile ModelSkin FrictionDistribution
Res. Shaft = 26 %(Proportional)
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MISE EN ŒUVRE : ACQUISITION
Tous types de pieux peuvent être testés: � acier, béton, bois� battus, forés
Le mouton peut-être constitué d’un poids en chute libre (parfois fabriqué sur place) ou d’un marteau de battage
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
MISE EN ŒUVRE : ACQUISITION
Les capacités statiques mesurées sont de l’ordre de 3000 tà 5000 t.
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
MISE EN ŒUVRE : ACQUISITION
Les technologies de communication récentes ont été m ises à profit pour les essais de chargement dynamique.
� Une connexion Bluetooth™ est utilisée pour connecter les capteurs à l’unité d’acquisition
� Une connexion par réseau téléphonique mobile ou WiFi est utilisée pour connecter l’unitéd’acquisition à n’importe quel ordinateur pour un suivi des essais en temps réel. Il est tout à fait envisageable de former un opérateur à l’exécution des essais. L’acquisition
des données étant suivie en temps réel par l’ingénieur au bureau.
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
QUALITÉ DES DONNÉES
L’essai de chargement dynamique est un outil formid able de contrôle des pieux, cependant il connait des conditions et des limitati ons d’usage qu’il est essentiel de bien comprendre, au risque sinon de décrédibiliser la mé thodologie.
1- Qualité d’exécutionLe signal analysé (onde montante) est un différentiel des ondes mesurées (force et de vitesse). Il est donc essentiel de s’assurer de la précision de la mesure: �- Bonne fixation des capteurs�- Usage de quatre jauges quand cela est nécessaire, sur des pieux larges ou en cas d’impact excentré�- Usage d’une lunette de chantier pour mesurer le tassement final par coup.
2- Les critères objectifs de qualité permettent une bonne évaluation de la qualité de l’instrumentation:�- Proportionnalité Force et Vitesse avant retour d’onde�- Retour à zéro en fin de signal des paramètres, notamment du déplacement, �- Cohérence entre tassement final mesuré par moyen optique et tassement obtenu par double intégration des accéléromètres�- Absence d’instabilité électrique�- Bonne répétitivité des signaux
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
CONDITIONS ET RESTRICTIONS
TS: 204.8TB: 5.0
F1 (4000)F2 (4000)F3 (4000)F4 (4000)
STR151, 3MM
A1234 F1234
TS: 204.8TB: 5.0
V1 (1.86)V2 (1.86)V3 (1.86)V4 (1.86)
Project Information Quantity Results
TS: 204.8TB: 5.0
F (4000)V (1.86)
STR151, 3MM
A1234 F1234
TS: 204.8TB: 5.0
SET=3 mm
WU (4000)D (40.0)
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
DONNÉES
TS: 51.2TB: 12.5
F (5000)V (2.33)
STR151, 3MM
A1234 F1234
TS: 51.2TB: 12.5
WU (5000)WD (5000)
Project Information Quantity Results
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ANALYSE PAR CALAGE
L’analyse par calage consiste à modifier itérativeme nt un modèle numérique de sol, jusqu’à faire coïncider l’o nde réfléchie calculée à l’onde réfléchie mesurée.
On considère alors que le modèle numérique de sol a insi obtenu est représentatif de l’interface pieu / sol.
Plusieurs calages sensiblement différents peuvent p arfois être obtenus sur un même signal. Cependant les capacités portantes résultantes seront très proches.
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CORRELATION RECENTE PIEU 1
030
060
090
00.
000
3.00
0
6.00
0
9.00
0
12.0
00
Load
(kN
)
Displacement (mm)
� � �� �
Capacité déduite de l’essai statique selon le critère de rupture des normes françaiseQc = 800 kN
Capacité déduite de l’essai dynamiqueQc = 818 kN
Capacité selon le critère de l’API: tassement permanent = 10% du diamètre
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
CORRELATION RECENTE PIEU 2
040
080
012
000.
000
5.00
0
10.0
00
15.0
00
20.0
00
Load
(kN
)
Displacement (mm)
Capacité déduite de l’essai statique selon le critère de rupture des normes françaiseQc = 970 kN
Capacité déduite de l’essai dynamiqueQc = 1176 kN
Critère API: tassement permanent = 10% du diamètre
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
CORRELATION RECENTE
On constate que les corrélations entre essais statiques et essais dynamiques sont globalement bonnes, mais les écarts tiennent principalement au choix arbitraire du critère de rupture, ou au temps de cicatrisation accordé aux sols.
Les essais dynamique corrèlent aussi bien avec les essais statiques que les essais statiques entre eux.
CAPWAP Statique France
Statique API
Pieu 1 818 kN 800 kN 940 kN
Pieu 2 1175 kN 970 kN 1200 kN
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CORRELATION RECENTE
Nous invitons les acteurs de l’industrie de la construction en France à se rassurer sur la fiabilité des essais de chargement dynamique en en faisant effectuer conjointement à un essai statique, comme recommandé par l’EC 7.
Nous exprimons le souhait que des normes européennes soient développées afin de favoriser une exécution de qualité, et vérifiable.
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CONDITIONS ET RESTRICTIONS
Le logiciel CAPWAP d’analyse par calage évalue la qualité du calage au moyen du paramètre MQ (Match Quality). Plus MQ est faible, meilleur est le calage. Un bon calage donne un MQ de l’ordre de 2 ou 3. Cependant le paramètre MQ n’est pas une condition suffisante de la qualité du signal. Un bon calage peut parfois être obtenu avec des paramètres aberrants, une revue d’expert est parfois nécessaire.
Il existe une certification pour les exécutants d’ essais de pieux: (cf www.foundationQA.com), qui sanctionne la connaissance des bonnes pratiques, ainsi que la compréhension des phénomènes théoriques.
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CONDITIONS ET RESTRICTIONS
Conditions de mobilisation du sol�- Tassement final supérieur à une limite qui dépend du type de sol, mais qui est généralement comprise entre 2.5 et 5 mm: afin de s’assurer que toute la résistance du sol a été mobilisée, il est convenu qu’un tassement minimal de 2.5 à 5 mm doit être mesuré�- Tassement final inférieur à 12 mm. Au-delà de 12 mm, les modèles numériques de sol du logiciel CAPWAP ne sont plus adaptés.
Cicatrisation des solsL’essai mesure la capacité du pieu au moment de l’essai. Les sols remaniés, surtout les sols cohésifs, manifestent des propriétés temporairement dégradées, auxquelles il faut plusieurs semaines pour retrouver leurs caractéristiques de dimensionnement. Les coups précédant le coups sélectionné contribuent à dégrader les sols.
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CONDITIONS ET RESTRICTIONS
Distribution frottement / pointe� La capacité portante résultant d’un essai dynamique jouit d’une bonne fiabilité, et d’une bonne précision, de l’ordre de +/- 10%.� Cependant la répartition entre le frottement et la pointe est d’un niveau de précision inférieur. L’essai de chargement dynamique ne peut donc pas être utilisé pour l’évaluation de la capacitéd’un pieu en tension.� De même, la raideur du pieu telle que estimée par un essai dynamique ne donnera qu’un vague ordre de grandeur de la raideur statique.
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
Analyses avancées pour les projets de pieux battus
L’analyse globale se base sur les analyses préliminaires, ne considèr e pas un signal choisi, mais plutôt le nombre de coups donnés par incrément de pénétration, ainsi que l’énergie du marteau . Elle est plus grossière que l’analyse par calage, et ne devrait pas servir à établir la capacité d’un pieu, à moins d’avoir été calibrée au moyen d’essais statiques ou dynamiques. Elle permet cependant d’établir un profil de résistance du sol au battage en fonction de la pénétration du pieu.
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
LS+P2 with D10045h set-up
LS+P2+P3 with MHU 600
47h set-upchange to MHU1000
4h set-up
LS+P1+P2+P3+P4 with MHU100037.5h set-up
LS+P2+P3+P4+P5 with MHU1000
27h set-up
Re-Strike on P5 with MHU100025h set-up
0
20
40
60
80
100
120
140
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50000
SRD (kN)
dept
h (m
)
after set-up (static capacity as per API86)SRD upper bound Stevens/PuechSRD lower bound Stevens/Puechback analysed SRDRequested CapacityCAPWAP
Back-Analysed SRD
Pile Capacity Assessment by signal matching (CAPWAP)
14 110
-6000.0
0.0
6000.0
12000.0
ms
kN
2 L/c
W up MsdW up Cpt
�14 �110
�-30000.0
�0.0
�30000.0
�60000.0
�ms
�kN
�2 �L/c
�Force Msd�Force Cpt
�14 �110
�-30000.0
�0.0
�30000.0
�60000.0
�ms
�kips
�2 �L/c
�For. Msd�Vel. Msd
�Pile
�0
�250
�500
�750
�1000
�kN
/m
�0
�10000
�20000
�30000
�40000
�50000
�kN
�Shaft Resistance�Distribution
�Pile Forces�at Ru
�0.0 �10000.0 �20000.0 �30000.0 �40000.0 �50000.0�0.00
�40.00
�80.00
�120.00
�160.00
�200.00
�Load (kN)
�D
isplacement (m
m)
�Pile Top�Bottom
�Ru = �47000.0 � kN�Rs = �43088.5 � kN�Rb = � 3911.5 � kN�Dy = � 141.9 � mm�Dx = � 159.9 � mm
14-Nov-2003
Cathie Associates CAPWAP® 2003-1
EQUIPEMENTS DE CONTROLEDES FONDATIONS PROFONDES
Analyses avancées pour les projets de pieux battus
Sur les projets comprenant un grand nombre de pieux , dont généralement seulement une fraction est instrumentée,� un modèle numérique de comportement du sol au battage peut-être établi sur la base des résultats des analyses sur les pieux instrumentés. Ce modèle numérique permet d’établir une corrélation fiable entre les paramètres de battage (nombre de coups par 25 cm et énergie du marteau) et la capacité portante.� le modèle numérique ainsi « calibré » peut alors être appliqué à tous les pieux si les sols sont homogènes. Des critères d’acceptation de pieux peuvent alors être établis sur la base des critères de battage.