Le patrimoine scientifique de l'Ifsttar · Conformément à la note du 04/07/2014 de la direction...

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d'essai

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'a La mesure des dé r:rnat~-,ns " 1 . * aiae des extenmomètres

hode d'essai no 34 nouvelle édition

janvier 2001

Laboratoire central des Ponts et Chaussées

58, boulevard Lefebvre - 75732 Paris Cedex 15

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Laboratoire central des Ponts et Chaussées

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En couverture :

Mise en place de I'extensomètre dans un pieu foré. Site de la gare de Liège-Guillemins (Belgique).

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Ce document a été rédigé par :

MM . MICHEL BUSTANIANTE. Directeur de recherche DR2 et LUIGI GIAMESELLI. Technicien supérieur

Section du Comportement des sols et des ouvrages géotechniques

Laboratoire central des Ponts et Chaussées

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Appareillage spécifique 6

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Principe 6

Le ruban porteur de jauge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Les jauges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Les bloqueurs . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Appareillage complémentaire 8

Matériels de mise en oeuvre des extensomètres . . . . . . . . 8

. . . . . . . . . . . . . . Matériels de mesure extensométrique 8

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i @ PRÉPAWTION DES MESURES 10

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Les tubes-logements 10

Installation de I'extensomètre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mise à zéro des jauges 11

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 RÉALISATION DES MESURES 13

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Généralités 13

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mesures en cours de palier 13

. . . . . . . . . . . . . . . . . . i PR~SENTATIION DES R&SUL~[.ATS 13

MCTHODE D'ESSAI no 34

Cette nouvelle version de la méthode d'essai n o 34, complétée et mise à jour en fonction de l'évolution du matériel, remplace l'édition d'octobre 1990 tirée en 1 000 exemplaires et qui est actuellement épuisée [l].

O n rappellera que ce document concerne uniquement la mise en place des extensomètres amovibles LPC dans les fondations profondes et la mesure des déformations uniaxiales que ceux-ci permettent de réaliser. Les recomman- dations pour la préparation d'un essai de char- gement utilisant cet appareillage est décrit dans la méthode d'essai n o 45 [2].

Les mesures extensométriques sont intimement liées à l'essai statique de chargement de pieu ou de tirant d'ancrage, on se reportera donc aux modes opératoires établis pour ces essais

P l , P l , FI , FI , VI, P l .

La méthode s'applique à tous les types de fondations profondes, battues ou forées, injec- tées ou non, de tous diamètres, soumis à des efforts statiques de compression ou d'arrache- ment. Pour des raisons de commodité, on dési- gnera dans la suite du texte sous l'appellation de pie% tout type de fondation profonde ou de tirant.

Sous certaines conditions, les extensomètres amovibles peuvent être installés dans des fondations soumises à des charges cycliques.

Rappel sur les essais de chargement de pieux

Un essai de pieu consiste à appliquer sur la tête du pieu une charge Q et à mesurer les dépla- cements correspondants S, de sa tête. Les modes opératoires régissant cet essai recom- mandent en général d'appliquer la charge Q par paliers croissants, d'égale durée [3] à [SI.

Rappel sur la détermination des dhoformations et des efforts dans %es pieux

La fondation profonde de la figure 1, soumise à une charge en tête Q à laquelle correspond un déplacement S,, peut être considérée comme une succession de tronçons fictifs 1, 2, ... i, i + 1, .. de longueurs 11, 12...!,, f i + ,, ...... subissant des défor- mations longitudinales A!,, A!,, ..Ali, A t i + ,.

~ ~ ~ ~ i l i ~ ~ ~ i ~ ~ des extensomètres amovibles est i Lorsqu'on veut vérifier la validité des hypo-

réservée aux essais dits de courte durée ,,, 4 thèses prises en compte dans les calculs de capa-

aux essais dont la durée i cité portante, on cherche à déterminer les

pas 48 heures. Toutefois, une utilisation . efforts Qz,...Q Q+1 agissant sur chaque prolongée de plusieurs mois peut être envisagée et Qp agissant en pointe-

suite aux récentes expérimentations effectuées ; L~ détermination de la distribution des efforts au LCPC, mais doit toutefois faire l'objet i Q 1, long du fût s'effectue à partir d ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ i l ~ d'une préparation particulière. % mesurant directement des efforts (dynamomè-

La mesure des déformations à l'aide des extensomètres amovibles LPC

tre et capteur de pression) ou indirectement, des déplacements ou des déformations. Ce sont ces dernières que les extensomètres amovibles permettent de mesurer. Appareillage spécifique

O n a alors, par application de la loi de Hooke, au tronçon i :

Principe [9]

Q = E,, Si ( aV,) ti

L'extensomètre amovible consiste essentielle- ment en une succession de rubans métalliques porteurs de jauges de déformations collées, et qui sont mis en tension entre les extrémités de chaque tronçon fictif du pieu.

avec :

+ E,,, le module équivalent du matériau du pieu, Des dispositifs particuliers, appelés bloqueurs,

assurent la fixation des rubans aux extrémités des tronçons, ainsi que le maintien de la tension des rubans pendant toute la durée de l'essai de chargement. Une fois assemblés, bloqueurs et rubans forment un chapelet d'une longueur correspondant sensiblement à celle du pieu.

+ Si, la section du tronçon i,

+ ti et Ali les grandeurs définies précédem- ment.

Le frottement latéral unitaire q,, agissant sur le tronçon i est égal à:

Lorsque le pieu est sollicité, les raccourcisse- ments ou les allongements (cas de la fondation soumise à un effort d'arrachement) qu'il subit sont donnés directement par la jauge. Ces déformations doivent être corrigées par un coefficient tenant compte à la fois du coeffi- cient d'étalonnage du ruban a et de la longueur du câble K. Le principe d'utilisation de l'exten- somètre amovible est schématisé sur la figure 3.

avec S,,, , la surface latérale du tronçon i.

Ayant calculé le déplacement y; du tronGon considéré i d'après :

yi = S, - (At, +A!, + ... + At;...)

on obtient la loi de mobilisation du frottement latéral unitaire q,, en fonction du déplacement y, telle que représentée sur la figure 2.

Une fois l'essai terminé, les bloqueurs sont mis hors pression et l'ensemble des extensomètres amovibles, récupéré et démonté.

i Le ruban porteur de jauge

i Le support de jauge est un ruban constitué d'un i alliage spécial (cupro-béryllium) dont la % section est égale à 8 x 0,4 mm pour le modèle i courant d'extensomètre, ou égale à % 5 x 0,25 mm pour le modèle miniaturisé.

i La longueur minimale entre chaque bloqueur i est de 1 mètre. La liaison entre le ruban et le

déplacement Yi i bloqueur est assurée par un embout spécial i (fig. 4). Pour les tronçons de grande longueur, Fig. 2 - Loi de mobilisat~on

du frottement ktéral unitaire pour un tronçon i le raccordement de deux rubans s'effectue au

i moyen d'un dé de serrage (fig. 5) qui interdit i tout glissement.

t.: L

QB

L

{A

1. Confection du pieu avec son tube-logement

2. Insertion de i'extensomètre amovible dans son tube-logement

4. Mise en tension des rubans

5. Mise en pression des autres bloqueurs

3. Mise en pression du bloqueur du fond 6. Chargement du pieu

La mesure des déformations à l'aide des extensomètres amovibles LPC

Les jazlges

Les jauges utilisées pour les extensomètres amovibles sont des jauges à trame métallique de constantan, autocompensées en tempéra- ture. Pour un ruban de 8 x 0,4 mm on peut utiliser une jauge avec une longueur de grille active égale à 3,18 mm acceptant des déforma- tions maximales de 3 %. La jauge est montée en demi-pont et reçoit un connecteur qui permet de la raccorder à son câble (fig. 6). Le ruban ainsi équipé est ensuite étalonné (fig. 7).

Les bloqueurs [9] [IO]

C'est l'une des pièces essentielles de l'extenso- mètre amovible. Ils sont constitués d'une cellule centrale dilatable par pression de gaz, laquelle, en agissant sur des lames déformables munies d'ergots ou de surfaces frottantes, assure l'accrochage à la paroi d'un tube- logement pendant toute la durée de l'essai. Le gaz a été choisi en raison des avantages qu'il présente à la mise en œuvre : propreté et mise en pression instantanée.

Les bloqueurs existent en deux modèles (fig. 8) de manière à pouvoir s'adapter aux différentes fondations profondes. Le modèle le plus couramment utilisé est un bloqueur @ 48 mm. Pour réaliser des mesures sur des tirants ou micropieux, on peut utiliser la version minia- turisée @ 33 mm.

i mètres et les matériels nécessaires à la réalisa- % tion des mesures des jauges.

i Matériels de mise en œuvre % des extensomètres

i + réserve de rubans avec jauges collées et sans i jauge pour la confection de grandes longueurs i de rubans,

i s réserve de gaz sous pression (N ou CO,) i équipée d'un mano-détendeur et d'un jeu de % deux manomètres avec plages de 0-400 et % 0-25 bar,

i e contrôleur de la pression de gaz alimentant les bloqueurs,

o 4 dispositif de mise en tension des rubans,

i o membranes de rechange pour les bloqueurs i de @ 48 ou @ 33 mm,

i + jeu de calibres pour la vérification des % diamètres des tubes-logements,

i + petit outillage pour le montage et le démon- : tage des extensomètres avec jeu de colliers de i serrage ou tubes fendus (fig. 11) pour le % contrôle des circuits d'alimentation,

i e réserve de connecteurs pour les câbles de % jauge et dés de serrage pour les rubans,

% + réserve de produits isolants,

Les bloqueurs sont reliés Par deux tubes plas- + tube plastique semi-rigide (100 m environ), tiques semi-rigides à une bouteille de gaz sous j avec embouts pression située à la surface du sol (fig. 9). Deux % circuits indépendants sont nécessaires, l'un " % Matériels de mesure extensométrique pour l'alimentation du bloqueur de fond, le : second pour les bloqueurs restants. La concep- i o pont de mesure portatif de préférence à affi- tion des bloqueurs interdit tout glissement par chage digital, rapport au fût du pieu, soit par translation % dyensemble, soit par déplacements relatifs i 9 nombre de boîtes de raccordement compati- locaux. La figure 10 montre un extensomètre : ble avec le nombre de rubans installés dans le

en cours d'assemblage. i pieu, chaque voie étant équipée d'un réglage de % zéro,

Apparedlage c o m p ~ é m e i a t ~ i -+ réserve de piles pour les ponts de mesure,

O n distingue les matériels propres à l'assem- g @ centrale d'acquisition automatique suivant blage et l'installation dans le pieu des extenso- % les cas.

- Ruban équipé d'une jauge collée et isolée et de son connecteur.

- Les deux modèles de bloqueur <P 48 et <P 33 mm.

-Assemblage de l'extensomètre. - Tube fendu pour le contrôle de /'alimentation

en gaz des bloqueurs.

9

La mesure des déformations à l'aide des extensometres amovible

sur un pieu fubulaire ouvert.

b I O 4

s LPC

PREPARATION DES MESURES

i Les tubes-logements

i L'installation des extensomètres amovibles LPC i exige que la fondation soit équipée de un ou i plusieurs tubes-logements. Ces derniers assu- i rent pour une bonne part le succès de la

i méthode. Le responsable des mesures doit être % associé à leur mise en œuvre.

i Chaque tube-logement doit satisfaire aux i conditions suivantes :

% + être lisse et propre intérieurement pour ne % pas entraver la descente et la remontée de l'ex- % tensomètre,

i + être dégraissé extérieurement pour assurer i une meilleure adhérence au béton (cas des i pieux forés) et intérieurement pour assurer un i meilleur accrochage des bloqueurs,

% + être rabouté de manière à éviter tout défaut i d'alignement ou resserrement intérieur. Le i recours à un manchon constitue l'un des plus i sûrs moyens de satisfaire ces conditions : (fig. l2a),

% ne pas être déformé lors de la confection du % pieu (cas des pieux forés) ou de la mise en fiche i (cas des pieux battus),

% + rester sec afin d'éviter le dysfonctionnement i des jauges.

b Le tube-logement, obturé à sa base (fig. l2b), i doit être parfaitement solidaire de la fonda- i tion. Cela s'obtient par le soudage des tubes- % logements aux génératrices des pieux métal- : liques (tubulaires fermés ou ouverts, profilés H i ou palplanches) ou aux cages d'armature des % fondations forées (pieux ou barrettes). Les % tubes utilisés sont des tubes en acier, de 52 mm i + l m m de diamètre intérieur pour les i bloqueurs de (I 48 mm, et de 35 mm + 1 mm i pour les bloqueurs de + 33 mm. L'épaisseur de i ces tubes varie de 2 mm pour les pieux forés à i 4 mm pour les pieux battus [2].

MÉTHODE D'ESSAI no 34

Dans le cas particulier des profilés battus P Tnsî.cnlljati6saa de I'extensomèrree (tubes fermés OU ouverts, pieux H, palplan- j Mise à zéro des jauges ches), le pied du tube-logement est protégé par i un sabot (fig. 12c). En partie haute, pour les i La veille de l'essai, o n procède à l'assemblage pieux forés, le tube débouche dans une tête i des extensomètres amovibles sur une aire spécialement aménagée pour permettre le i propre et si possible à l'abri des intempéries. Si

passage des câbles de jauges et des tubulures i les conditions s'y prêtent, et pour des longueurs dyalimentation en gaz ou i n'excédant pas 20 m, un chapelet de huit à dix

bloqueurs peut être assemblé en une demi- simplement par la mise en place d'une plaque : journée. L'assemblage terminé, o n vérifie le métallique pourvue de rainures (fig. 13a et i

13b). . bon fonctionnement des jauges et l'absence de i fuites sur le circuit d'alimentation des i bloqueurs.

Une fois la confection ou la mise en fiche du : pieu terminée, on vérifie par la descente dyun i Il y a lieu de repérer chaque jauge avec son câble calibre (Q 49 ou Q 33 mm) dans le tube- i avant de débuter l'essai. La figure 14

logement, que celui-ci n'a subi aucun dommage fournit un exemple de feuille de montage pour

du fait de son installation et reste sec. : chaque tube-logement équipant le pieu.

L'extensomètre est descendu par gravité dans son tube-logement (fig. 15). Lors de la descente dans le pieu, le ruban ne doit subir aucune déformation permanente (pliage, vrillage, éraflure). Arrivé à la cote voulue, le bloqueur inférieur est dilaté à l'aide d'une pression de gaz comprise entre 1'3 et 1'5 MPa. Grâce au dispositif de mise en tension (fig. 16a et 16b), on tend l'ensemble des rubans depuis la surface. Cette opération est effectuée progressi- vement par l'un des opérateurs, pendant que le second contrôle l'évolution du signal des rubans sur le pont de mesure. La tension appli- quée aux rubans est fonction du type d'essai que l'on veut réaliser (compression ou arrache- ment), mais aussi de l'importance de la charge d'épreuve que l'on veut appliquer au pieu. Il suffit, dans la majorité des cas et pour chaque ruban sollicité, de limiter celle-ci à E = 2 000 pm/m.

Après avoir vérifié que l'ensemble des rubans est tendu à l'allongement désiré, on dilate simultanément la totalité des bloqueurs.

La pression de gaz est maintenue entre 1'3 et 1'5 MPa dans l'ensemble du circuit d'alimenta- tion des bloqueurs et doit le rester pendant toute la durée de l'essai. Un boîtier de contrôle comprenant deux manomètres, permet de surveiller en continu le maintien de la pression. O n procède ensuite à la mise à zéro des jauges en agissant sur les potentiomètres des boîtes de raccordement prévues à cet effet ou sur le commutateur de remise à zéro de la centrale d'acquisition.

Il est impératif enfin, d'établir un schéma du pieu indiquant :

e la position des différents bloqueurs par rapport au niveau des comparateurs utilisés pour mesurer les déplacements de la tête du pieu [2] ;

s le repérage de chaque tronçon de mesure : A, B, C, etc. ;

e les principales caractéristiques du pieu.

M~TWODE D'ESSAI no 34

R~ALIISA'II'ION DES MESURES : cation de la charge au pieu, on fait pour chaque

: palier les lectures des déformations des jauges i aux temps suivants

Généralités % + 3e et 55e minute lors du chargement, : * 3e minute lors des paliers de déchargement.

La réalisation des mesures à partir des extenso- mètres amovibles s'inscrit dans le cadre d'un Tout incident (fonctionnement défectueux des essai de chargement (ou d'arrachement) en jauges ou du pont, dérives, chute de pression vraie grandeur. A ce titre, les séquences de i dans le circuit d'alimentation, chocs sur les mesure restent subordonnées au déroulement i bases fixes, interruption de lYessai de charge- et au programme de celui-ci et, en particulier, ; ment), qui se produit pendant I'essai, est consi- au nombre de cycles et de paliers choisis ainsi % gné dans la partie observations de la feuille qu'à leur durée [3] à [8]. i d'essai. En cas d'incidents graves en cours

% d'essai, pouvant conduire à l'endommagement

hlesu-res en cours de paliers i ou la perte des extensomètres amovibles, le i responsable des mesures est en droit d'exiger

A~~~~ le lancement de l'essai de chargement i d'interrompre l'essai et de remonter les appa-

proprement dit, on vérifie que : : reils. Il définit ensuite les conditions dans i lesquelles sera repris l'essai. Une fois l'essai de o le circuit d'alimentation des bloqueurs n'a a

: chargement terminé les extensomètres sont fait l'objet d'aucune fuite (boîtier de contrôle), :

: remontés à la surface puis démontés. * les jauges n'ont subi aucune dérive depuis la : mise en place, dans lequel cas celles-ci doivent i être remises à zéro avant le démarrage de l'essai. '

i PRÉSENTATION Il est recommandé de vérifier le bon fonction- i DES R&S$IIL$ATS nement de l'ensemble du matériel avant le :

: Toutes les lectures de variations relatives des démarrage de l'essai en effectuant un pré- : a déformations E; = A t Jii effectuées à la 3e et la chargement rapide pendant une durée de * 55e minute pour le palier de chargement et à la

quelques minutes, et sous une charge de l'ordre : de 5 010 de la charge limite. i 3e minute pour le palier de déchargement, sont

% consignées sur des feuilles d'essai (fig. 17) ou Lors de l'essai proprement dit et après l'appli- stockées dans l'unité centrale d'acquisition.

a Laboratoire Central des Ponts et Chaussées. Paris :Cr<; Responsable de i'essai: Date des mesures:

La mesure des déformations à l'aide des extensomètres amovibles LPC

AUL (IO")

O n établit pour chaque extensomètre un jeu de feuilles, la première récapitulant les valeurs des mesures brutes E, la seconde indiquant les valeurs correspondantes corrigées E,. La valeur corrigée vaut :

E,= & . a / K

où a est le coefficient d'étalonnage du ruban équipé de sa jauge et K un coefficient fonction de la longueur du câble utilisé.

Les valeurs E et E, sont exprimées en pm/m.

L'ensemble des feuilles de mesure donnant les valeurs E et E, est accompagné du schéma établi avant l'essai et rappelant les principales carac- téristiques du pieu ainsi que le repérage des tronçons de mesure. % Fis, .68 - Exemple de mesures des déformations E réalisées

sur un pieu battu moulé et montrant au droit des tronçons A, Lorsque le pieu a été équipé de plusieurs exten- : 6, C des dérives importantes traduisant une déformation

sOmètres On i indue du béton laquelle résultaif d'un bétonnage défectueux.

calcule, pour chaque troncon, la moyenne des i site de ~ ~ ~ i ~ i ~ ( ~ ~ è ~ ~ , ,984, déformations corrigées E,.

Il y a lieu toutefois, avant d'effectuer cette i L'ensemble des valeurs moyennes obtenues E,

moyenne, de vérifier si des facteurs tels que i est présenté SOUS la forme d'un tableau récapi- Iyexcentrement des charges, la non-verticalité i tulatif. II est conseillé de lui adjoindre un du fût ou l'existence de comme le i graphique montrant la variation de 8, en fonc-

: tion de la profondeur, comme indiqué sur la montre la figure 18, n'ont pas altéré la repré- . : figure 19a et b. sentativité des mesures.

AUL (IO")

~ g :ë Q; E ~ " ., l

0

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i ::: 1 Q)

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charge en tête Q 0 (kN)

2000 4000 6000 8000 10000

O'--~~-+~--+-··-··'---"----~---+~-i 0 5 10 15 20 25 30 35 40

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déplacement y i (mm)

2 4 6 8 10

déplacement y i (mm)

charge en tête Q0 (kN)

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750

., 1 1 11 1 1 r r1 5,o 1 r r /:· I-J-:. f Ji• r fi /: i. , ... 1 ' J Ill If '. / ! ./ Ili I .i ! J il G !

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25 ::= .g

- Distribution des efforts pour un pieu rjJ 900 mm, foré tubé dans un schiste altéré. Site d'Houdeng (Belgique, 1999).

- Distribution des efforts pour un pieu tubulaire rjJ 340 mm, battu dans des sables fins à grossiers. Site de Montoir (1999).

- Pieu foré tubé : rjJ900mm, de 16,6m : de longueur. : Site d'Houdeng ~ (Belgique, 1999).

10 20 30 40 50 60 . déplacement Yi (mm)

oJ.-.......,~~~~-='ii=====>==t~~=~~==""i.J 0 5 10 15 20 25

déplacement y i (mm)

: - Pieu foré boue : rp 800 mm, de 26 m : de longueur. ~ Site de Sieve (Italie, 1998) . . : - Caisson ouvert LPl/s : de 12 m de longueur. : Site de Merville (1999).

; - Tube fermé battu : de rjJ 340 mm, de 31 m : de longueur. : Site de Montoir (1999).

15

La mesure des déformations à l'aide des extensomètres amovibles LPC

Par application des principes rappelés au para- graphe « Rappel sur la détermination des déformations et des efforts dans les pieux D, les valeurs E, ou E, (cas de plusieurs extenso- mètres) finalement obtenues, permettent de cal- culer les efforts Q agissant sur chaque tronçon i, et de déterminer leur distribution le long du fût pour chaque palier (fig. 20a et b).

O n peut obtenir en outre les courbes de mobi- lisation du frottement latéral unitaire q,, en fonction du déplacement y;. Les figures 21a, b, c, d, montrent plusieurs exemples de ces cour- bes obtenues pour différents types de sols et de pieux, après réalisation d'essais de chargement en vraie grandeur.

[l] BUSTAMANTE M., GIANESELLI L. (1990), La % mesure des déformations à l'aide des extensométres amovi- % bles LPC, Méthode d'essai LPC n o 34, oct.

[2] BUSTAMANTE M., GIANESELLI L. (1996), Recommandations pour la préparation d'un essai de char- % gement statique de pieu instrumenté à l'aide d'un extenso- : métre LPC, Méthode d'essai LPC n o 45, nov.

[3] BUSTMANTE M., JÉZÉQUEL J.-F. (1989), Essai % statique de pieu isolé sous charge axiale, Méthode d'essai : LPC n o 3 1, févr.

[4] Les essais de pieux, chapitre 10 du DTU 13.2 : Fondations profondes, cahier 1793, CSTB, sept. 1982. % [5] Axial pile loading test, Part 1 : Static loading % ISSMFE, Geotechnical Testing Journal, GTJODJ, vol. 8, % 2, juin 1985, pp. 79-80.

[6] Norme française NF P 94-150 (1991), Essai statique de % pieu isolé sous compression axiale, oct.

[7] Norme française NF P 94-153 (1993), Essai statique de % tirant d'ancrage, déc.

[8] Tirants d'Ancrage. Recommandations concernant la % Document publié par le LCpc conception, le calcul, l'exécution et le contrôle. i sous le numéro 59023402 Recommandations T.A 95, septembre 1995.

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