08-Essais de chargement dynamique de pieux

L’ ESSAI DE
CHARGEMENT
DYNAMIQUE DE PIEUX
(Méthode dite
par « calage »,
ou « PDA »,
ou « CAPWAP »)
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
Objectif et historique
Essai dynamique
Ref : CORRELATION OF
CAPWAP WITH STATIC
LOAD TESTS
Garland Likins and
Frank Rausche, Stress
Wave Conf 2004
Essai dynamique
La 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
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
Essai statique
Objectif et historique
La 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 fiabilité
des 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 fiabilité
qui peut être obtenue en testant un grand nombre de pieux.
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES 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 CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
Principe théorique
On 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.
t = t1
f1
2
2
∂
m
(
z
,
t
)
∂
m( z, t )
E ×
−
= Rf
2
2
ρ
∂z
∂t
z
z2 - z1 = c x (t2 - t1)
t = t1
f1
z1
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
z2
z
Dès lors, on sait décomposer l’onde en onde montante
et onde descendante en tout endroit du pieu:
Onde montante
Onde descendante
Avec
F↑ = ½ (F-ZV)
F↓ = ½ (F+ZV)
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 CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
Réflexion de l’onde sur un frottement latéral
F↑
F↓
½R
Un frottement latéral réfléchit l’onde incidente
en une onde montante compressive
R
(Source: PDI)
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
Réflexion de l’onde en pointe
F↑
F↓
F↓1
F↑2
Ri
Rb
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
L’onde incidente est réfléchie en une onde
montante :
En compression sur une « pointe forte »
En tension sur une « pointe faible»
Schéma de réflexion de l’onde incidente
L/c
t=0
F↓
x
½Ri
2L/c
2x/c
-F↓
RB
L
Ri
½Ri
-½Ri
RB
(Source: PDI)
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES 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 CONTROLE
DES 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
La composante dynamique est du
type visqueux, càd proportionnelle
à la vitesse
Rs
Rs+Rd
Ru
ks = Ru /q
1
u
quake, q
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
MISE EN ŒUVRE : L’ANALYSE PRÉLIMINAIRE
10
8
8
6
6
4
4
2
2
0
0
Tension Stress (MPa)
10
1.50
KELLER Drp4t
Capacity
Efficiency
1000.0 kN
0.600
Helm et
Pile Cushion
0.00 kN
10990 kN/m m
Skin Quake
Toe Quake
Skin Dam ping
Toe Dam ping
Pile Length
Pile Penetration
Pile Top Area
2.500
2.500
0.200
0.500
Pile Model
0.90
0.60
0.30
0.00
0
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
4
8
12
16
Set (m m /10 bl)
20
24
mm
mm
s ec/m
s ec/m
12.30 m
11.50 m
2123.72 cm 2
1.20
Stroke (m)
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.
Compressive Stress (MPa)
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.
Res . Shaft = 26 %
(Proportional)
Skin Friction
Dis tribution
MISE EN ŒUVRE : ACQUISITION
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
MISE EN ŒUVRE : ACQUISITION
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
MISE EN ŒUVRE : ACQUISITION
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
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 CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
MISE EN ŒUVRE : ACQUISITION
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
MISE EN ŒUVRE : ACQUISITION
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
MISE EN ŒUVRE : ACQUISITION
Les capacités
statiques
mesurées sont
de l’ordre
de 3000 t
à 5000 t.
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
MISE EN ŒUVRE : ACQUISITION
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
MISE EN ŒUVRE : ACQUISITION
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
MISE EN ŒUVRE : ACQUISITION
Les technologies de communication récentes ont été mises 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’unité
d’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 CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
QUALITÉ DES DONNÉES
L’essai de chargement dynamique est un outil formidable de contrôle des pieux,
cependant il connait des conditions et des limitations d’usage qu’il est essentiel de bien
comprendre, au risque sinon de décrédibiliser la méthodologie.
1- Qualité d’exécution
Le 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 CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
CONDITIONS ET RESTRICTIONS
F (4000)
V (1.86)
A1234 F1234
TS: 204.8
TB: 5.0
F1
F2
F3
F4
(4000)
(4000)
(4000)
(4000)
A1234 F1234
TS: 204.8
TB: 5.0
STR151, 3MM
WU (4000)
D (40.0)
STR151, 3MM
V1
V2
V3
V4
(1.86)
(1.86)
(1.86)
(1.86)
SET=3 mm
TS: 204.8
TB: 5.0
TS: 204.8
TB: 5.0
Project Information
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
Quantity Results
DONNÉES
F (5000)
V (2.33)
A1234 F1234
TS: 51.2
TB: 12.5
STR151, 3MM
WU (5000)
WD (5000)
TS: 51.2
TB: 12.5
Project Information
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
Quantity Results
ANALYSE PAR CALAGE
L’analyse par calage consiste à modifier itérativement un
modèle numérique de sol, jusqu’à faire coïncider l’onde
réfléchie calculée à l’onde réfléchie mesurée.
On considère alors que le modèle numérique de sol ainsi
obtenu est représentatif de l’interface pieu / sol.
Plusieurs calages sensiblement différents peuvent parfois être
obtenus sur un même signal. Cependant les capacités portantes
résultantes seront très proches.
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
ANALYSE PAR CALAGE
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
CORRELATION RECENTE PIEU 1
Capacité selon le critère de l’API:
tassement permanent = 10% du diamètre
600
Capacité déduite de l’essai statique selon
le critère de rupture des normes française
Qc = 800 kN
12.000
9.000
6.000
3.000
0.000
0
300
Load (kN)
900
Capacité déduite de l’essai dynamique
Qc = 818 kN
Displacement (mm)
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
CORRELATION RECENTE PIEU 2
Critère API: tassement permanent = 10% du diamètre
800
Capacité déduite de l’essai statique selon
le critère de rupture des normes française
Qc = 970 kN
20.000
15.000
10.000
5.000
0.000
0
400
Load (kN)
1200
Capacité déduite de l’essai dynamique
Qc = 1176 kN
Displacement (mm)
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES 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
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
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.
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
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.
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
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 sols
L’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.
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
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 capacité
d’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 CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
!
s
k
l
o
F
,
l
l
a
s
’
t
a
h
T
?
s
n
o
i
t
s
e
Qu
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
Analyses avancées pour les projets de pieux battus
L’analyse globale se base sur les analyses préliminaires, ne considère 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 CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
Pile Capacity Assessment by signal matching (CAPWAP)
kN
12000.0
Back-Analysed SRD
W up Msd
W up Cpt
SRD (kN)
0
5000
10000
15000
20000
0
6000.0
14
110
20
ms
25000 30000 35000 40000 45000
after set-up (static capacity as per API86)
SRD upper bound Stevens/Puech
SRD lower bound Stevens/Puech
back analysed SRD
Requested Capacity
CAPWAP
50000
0.0
L/c
2
LS+P2 with D100
45h set-up
40
-6000.0
d e p th (m )
60
14-Nov-2003
Cathie Associates
CAPWAP® 2003-1
kN
60000.0
Force
Force
kips
60000.0
Msd
Cpt
30000.0
For. Msd
Vel. Msd
80
LS+P2+P3 with MHU
600
47h set-up
change to MHU1000
4h set-up
30000.0
14
110
ms
0.0
110
ms
0.0
L/c
2
-30000.0
Load
(kN)
750
100
Pile
120
1000
Pile Top
Bottom
10000.0 20000.0 30000.0 40000.0 50000.0
L/c
2
-30000.0
0.0
0.00
14
Shaft Resistance
Distribution
Ru
Rs
Rb
Dy
Dx
=
=
=
=
=
47000.0
43088.5
3911.5
141.9
159.9
kN
kN
kN
mm
mm
kN/m
80.00
250
0
10000
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
120.00
kN
Displacement
160.00
20000
30000
40000
50000
200.00
Pile Forces
at Ru
LS+P2+P3+P4+P5
with MHU1000
27h set-up
Re-Strike on P5 with
MHU1000
25h set-up
500
40.00
LS+P1+P2+P3+P4
with MHU1000
37.5h set-up
140
(mm)
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.
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
Bearing Graph
Energy (kJ)
400
350
P11 18MN
300
P19 16.3MN
P20 15.5MN
P7 14.9MN
P9 15.5MN
P12 17MN
P7 14.9MN
P9 15.5MN
250
P11 18MN
200
P12 17MN
P19 16.3MN
150
P20 15.5MN
19000
100
18000
50
17000
16000
0
0
1
2
3
4
set per blow (mm/bl)
EQUIPEMENTS DE CONTROLE
DES FONDATIONS PROFONDES
5
6 15000
7