Ingénierie de battage - Accueil | · PDF file(logiciel GRL WEAP ou équivalent) ... quake, q q i R ui q i R si u i-R ui ... (damping) = la principale inconnue

Martin Hammann

Journée technique du CFMS

Battage et vibrofonçage Martin

Hammann

Prédiction de battage

Problématiques particulières

Ingénierie de battage

26 mars 2014 – Martin Hammann

Journée technique du CFMS


Hammann

Ingénierie de battage : définition

L’ingénierie de battage consiste à : prédire les divers phénomènes intervenant dans le battage d’un pieu.

Dans le but de :

Optimiser les moyens mobilisés :

taille du marteau et de la grue,

épaisseur du pieu, souvent dimensionné au battage

Réduire les risques de dommage ou d’arrêt de chantier.

Journée technique du CFMS – Mars 2014


Hammann

Catalogue des risques d’un chantier de battage

Ce qui peut mal se passer :

Contraintes excessives : dommage en pointe de pieu

Contrainte excessive : crack dans un pieu béton

Refus prématuré ou incapacité à redémarrer après arrêt de

battage, fatigue de l’acier

Pénétration sous poids propre / free-fall (offshore)



Hammann




Hammann

Dommage en pointe




Hammann

Refus ou dommage en pointe

2h de battage …

ou 2 jours de forage




Hammann

Refus prématuré




Hammann

Dommage à la fatigue dans le pieu

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

220 240 260 280 300 320blo

w n

um

be

r t

o 1

00

% d

am

ag

e

max stress in pile kPa

80%

85%

90%

95%

100%

105%

110%

115%

120%

125%

130%

500 520 540 560 580 600

fati

gu

e d

am

ag

e

hammer energy setting (kJ)

FORMULES DE BATTAGE Principe : travail effectué par le marteau = énergie appliquée

Eh : Energie nominale du marteau (mgh pour un mouton simple)

eh : Rendement du marteau s1 : raccourcissement du pieu

s : refus, la moyenne de l’enfoncement par coup sous 10 coups

Wp: Poids du pieu Wr: poids du mouton L: longueur du pieu

Ne prennent pas en compte la raideur du pieu !

𝑷𝒖 =𝒆𝒉𝑬𝒉

𝒔+𝒆𝒉𝑬𝒉𝑳

𝟐𝑨𝑬 (Formule des Danois, Olson & Flaate 1967)

Pu Résistance du sol ∝energie appliquée

enfoncement généré


𝒔

𝟏

𝟏+𝑾𝒑

𝑾𝒓

(Formule des Hollandais)


𝒔+𝒔𝟏𝟐

𝟏

𝟏+𝑾𝒑

𝑾𝒓

(Crandall) 𝑷𝒖 =𝒆𝒉𝑬𝒉

𝒔+𝒔𝟏

𝟏

𝟏+𝑾𝒑

𝑾𝒓

(Engineering News)



Hammann

Exemple (Essais dynamiques, Marseille)

Pieu béton : 25.7 m de long, 0.94m de diamètre

Poids du mouton: 157kN, Rendement global: 90%

Hauteur du chute 1.5m

Refus ~5 mm

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Ca

pa

cité

po

rta

nte

(M

N)

Refus (mm)

Equation d'onde SD 0.20s/m Formule des Hollandais

Olson & Flaate Essai dynamique



Hammann

Bourget du Lac Pieu béton : 12.3 m de long, 0.52m de diamètre

Poids du mouton: 29kN, Rendement global: 69%


Refus ~3 mm

0

1

2

3

4

5

6

7

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Ca

pa

cité

po

rta

nte

(M

N)

Refus (mm)

Equation d'onde SD 0.20 s/m Equation d'onde SD 0.65 s/m

Formule des Hollandais Olson & Flaate

Essai dynamique



Hammann

Parc d’Eolienne en Mer – Mer du Nord

Pieu métallique : 33 m de long, 2.48m de diamètre, 55mm d’épaisseur

IHC S1200, masse frappante: 1208kN


Refus ~8 mm

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Ca

pa

cité

po

rta

nte

(M

N)

Refus (mm)

Equation d'onde SD 0.45s/m Formule des Hollandais

Olson & Flaate Essai dynamique



Hammann

Jetée en Mer : partie onshore

Pieu métallique : 27.5 m de long, 1.54m de diamètre, 25mm d’épaisseur

Menck 270T, masse frappante: 159kN


Refus ~10.5 mm

0

5

10

15

20

25

30

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Ca

pa

cité

po

rta

nte

(M

N)

Refus (mm)

Equation d'onde SD 0.2s/m

Formule des Hollandais

Olson & Flaate

Essai dynamique

épaisseur et longueur incrémentés pour poids

identique



Hammann

Limites et applicabilité des formules de battage

On constate que la formule des hollandais fonctionne bien pour

des pieux de dimension standard en battage facile.

En battage difficile (refus<10 mm), ou pour des pieux fins, la

formule des hollandais affiche une erreur de l’ordre de 100%.

Cummings 1940, Dynamic Pile Driving Formulas:

« Peu, voire aucune, des formules existantes sont théoriquement

valide »

Terzaghi 1942, Proceeding ASCE:

« Les études comparatives démontrent que les différentes formulations

ne sont généralement pas valable pour des sols cohérents »

Factor de Sécurité préconisé 4~6

Les formules de battage ne sont plus acceptées par certaines industries

(pétrolière, offshore, etc ..)



Hammann

Méthodologie de l’ingénierie de battage



Hammann

Modélisation numérique du système marteau-pieu-sol (logiciel GRL WEAP ou équivalent) par résolution de l’équation

d’onde .

o Le marteau: disponibles dans la base de donnée du logiciel

o Le pieu: modélisé en un milieu continu élastique 1D

o L’interface sol-pieu: modèle élasto-plastique linéaire, avec viscosité

(amortissement) proportionnelle à la vitesse et la résistance statique.



Hammann

Modélisation du marteau



Hammann

Atomized Injection Timing Parameters:

Volume of Injection End, VBEG

Pressure

pMAX

Port

Ope

n

Compression:

p=patm(Vin/V)1.3

5

Expansion:

p=pMAX(VCH/V)1.

35

Volume of Injection End, VEND

Modélisation du marteau



Hammann Time

La quasi-totalité des marteaux existants a été modélisée et est disponible dans la base de donnée du logiciel.

Des marteaux de conception simple (mouton en chute libre) peuvent aisément être modélisés et ajoutés à la

base de donnée.

Martin

Hammann

Modélisation du pieu



Hammann Time

Le pieu est modélisé en un milieu continu élastique 1D.

Pieu:

Masses et

ressorts

Sol:

Elasto-Plastique

ressorts et

amortisseurs

Poids de la

section

Acceleration

Force

2

2 ),(),(

t

tzmtza

2

2 ),(

t

tzmdzAmaF

dz

Equations d’onde (1D) dans le pieu

2è loi de Newton (F=ma)

m(z,t) z

t=0 t

m(z+dz,t) z+dz



Hammann

forcesdzRftdzzmFtzmFtzm

tdzzm

),(

),(

)],([)],([

F[m

(z,t

)]

F[m

(z+

dz,t)]

Rf

x d

z

m(z,t)

m(z+dz,t)

Equation d’onde (1D): équilibre des forces

dzz

tzmF

)],([

2

2

2

2 ),()],(

t

tzmdzAdzRfdz

z

tzmAE

2nd loi de

Newton Loi de

Hooke

ARft

tzm

z

tzmE

/),()],(

2

2

2

2

Qui conduit à :



Hammann

Equation d’onde (1D) dans le pieu

résolution

ARft

tzm

z

tzmE

/),()],(

2

2

2

2

0),()],(

2

2

2

2

t

tzm

z

tzmE

1. Une solution particulière

2. l’ensemble des solutions de l’équation sans le 2nd membre



Hammann

Solution générale de l’équation sans le second

membre:

m(z,t) = f1(z-ct) + f2 (z+ct)

où c2 = E/

f1 et f2 sont des fonctions continues dérivables.

Une fonction prenant la forme f(z-ct) est

appellée équation d’onde.

0),()],(

2

2

2

2

t

tzm

z

tzmE


résolution



Hammann

si z1 et z2 sont tels que z2-z1 = c.(t2-t1) z2-c.t2=z1-c.t1

alors : f1(z2-c.t2)=f1(z1-c.t1)

z

z

f1

f1

t = t1

t = t1

z2 - z1 = c x (t2 - t1)

z1 z2



Hammann

Solution générale : m(z,t) = f1(z-ct) + f2 (z+ct)

où c2 = E/; f1 et f2 sont des fonctions continues et dérivables.

)()( '

2

'

1 ctzcfctzcft

mV

)()(),( '

2

'

1 ctzfctzfEAz

tzmEAF

0),()],(

2

2

2

2

t

tzm

z

tzmE

• Vitesse

F/EA = f’1+f’2 EA f’2 = ½ (F-ZV) onde montante

V/c = f’2 –f’1 EA f’1 = ½ (F+ZV) onde descendante

Z=AE/c Impédance

• Force


résolution



Hammann

F/EA = f’1+f’2 F↑ = EA f’2 = ½ (F-ZV) onde montante

V/c = f’2 –f’1 F↓ = EA f’1 = ½ (F+ZV) onde descendante

Z=AE/c Impédance F↑ + F↓ = F

F↑ = 0 F=ZV

En pointe:

Pointe libre, F=0 F↑ = -F↓

une onde de compression est réfléchie en onde de tension

Attention aux pieux béton !

Pointe encastrée, V=0 F↑ = F↓ = ½ F

une onde de compression est réfléchie en onde de compression

les ondes incidente et réfléchie s’additionnent et doublent la

contrainte en pointe


résolution



Hammann

Extrémité encastrée

Extrémité libre

Réflexion d’une onde compressive

à une extrémité encastrée ou libre



Hammann

Méthodologie

Cas particulier de battage dans la roche:



Hammann

On observe l’onde

réfléchit comparée

à l’onde incidente

Comportement statique: élasto-plastique

Modélisation du sol

u

Ru

Rs

ks = Ru /q

2.5 mm quake, q

qi Rui

qi

Rsi

ui

-Rui



Hammann


Smith: Rtotale = Rstatique + Ds.v.Rs

Rstatique+Rdynamique Ds: Amortissement

(fût, pointe)

Rebond

(fût, pointe)

Déplacement (mm)

Ré

sist

an

ce

(k

Pa

)

Note: coefficient d’amortissement

(damping)

=

la principale inconnue ( expérience du site

ou essais préalables ou valeur conservative



Hammann




Hammann

Résistance Statique au Battage (SRD) Static Resistance to Driving

Les propriétés mécaniques des sols sont dégradées par le battage on parle alors de SRD à distinguer de la résistance ultime du pieu

(à ne pas confondre avec la résistance dynamique, qui dépend de la

vitesse particulaire du pieu).

C’est un problème de géotechnique, diverses méthodes sont disponibles dans la littérature, selon les types de sols rencontrés.

En général on considère une borne min et borne max.

Cicatrisation des sols : après le battage les propriétés mécaniques des sols

atteignent progressivement leurs valeurs au long terme. Il faut plusieurs

semaines à plusieurs mois.

marteau/pieu dimensionnés pour le battage continu ou pour un redémarrage ?

(Ces sujets sont traités dans une autre présentation)



Hammann

0

20

40

60

80

100

120

140

0 10000 20000 30000 40000 50000

pe

ne

trati

on

(m

)

SRD (kN)

back analysed SRD

static capacity with OLD soil parameters

SRD lower bound with OLD soil parameters

0

20

40

60

80

100

120

140

0 5000 10000 15000 20000 25000

pe

ne

tratio

n (m

)

SRD (kN)

static capacity with OLD soil parameters

SRD lower bound with OLD soil parameters

Résistance Statique au Battage (SRD) Static Resistance to Driving

Dans la pratique: GRL WEAP (ou équivalent)

L’hypothèse

majeure



Hammann


25-Mar-2014CATHIE ASSOCIATES SA/NV

GRLWEAP (TM) Version 2005Enter Project Title Here



Co

mp

ressiv

e S

tre

ss (

MP

a)

0

70

140

210

280

350

Te

nsio

n S

tre

ss (

MP

a)

0

70

140

210

280

350

Blow Count (bl/m)

Ultim

ate

Ca

pa

city (

kN

)

0 200 400 600 800 1000 1200

0

1000

2000

3000

4000

5000

IHC S-90

Stroke 2.02 m

Efficiency 0.950

Helmet 7.83 kN

Skin Quake 2.500 mm

Toe Quake 2.500 mm

Skin Damping 0.650 sec/m

Toe Damping 0.500 sec/m

Pile Length

Pile Top Area

30.00

223.65

m

m

cm2

Pile Model

Skin Friction

Distribution

Res. Shaft = 95 %

(Proportional)

Courbe de portance (bearing Graph)



Hammann


Contraintes max





Co

mp

ressiv

e S

tre

ss (

MP

a)

0

70

140

210

280

350

Te

nsio

n S

tre

ss (

MP

a)

0

70

140

210

280

350

Blow Count (bl/m)

Ultim

ate

Ca

pa

city (

kN

)

0 200 400 600 800 1000 1200

0

240

480

720

960

1200

IHC S-90

Stroke 2.02 m

Efficiency 0.950

Helmet 7.83 kN

Skin Quake 2.500 mm

Toe Quake 2.500 mm



Pile Length

Pile Top Area

30.00

223.65

m

m

cm2

Pile Model

Skin Friction

Distribution

Res. Shaft = 95 %

(Proportional)





Co

mp

ressiv

e S

tre

ss (

MP

a)

0

70

140

210

280

350

Te

nsio

n S

tre

ss (

MP

a)

0

70

140

210

280

350

Blow Count (bl/m)

Ultim

ate

Ca

pa

city (

kN

)

0 200 400 600 800 1000 1200

0

240

480

720

960

1200

IHC S-90

Stroke 2.02 m

Efficiency 0.950

Helmet 7.83 kN

Skin Quake 2.500 mm

Toe Quake 2.500 mm



Pile Length

Pile Top Area

30.00

223.65

m

m

cm2

Pile Model

Skin Friction

Distribution

Res. Shaft = 95 %

(Proportional)



Hammann


Courbe de portance (bearing Graph)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

0 200 400 600 800 1000 1200

SRD

(kN

)

bl/m

79 kJ

63 kJ

48 kJ

31 kJ

Note: le modèle est peu sensible à la localisation des résistance de sol, en particulier donc à la pénétration du pieu

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

pe

n (

m)

SRD (kN)

SRD battage continu

SRD après cicatrisation



Hammann


Courbe de battage (driveability)

CATHIE ASSOCIATES SA/NV 2014 Mar 25

Enter Project Title Here Gain/Loss 1 at Shaft and Toe 1.000 / 1.000 GRLWEAP(TM) Version 2005

De

pth

(m

)

0 50 100 150 200

3

5

8

10

13

15

18

20

23

25

Blow Count (blows/m)

De

pth

(m

)

0 1000 2000 3000 4000

3

5

8

10

13

15

18

20

23

25

Ult. Capacity (kN)

0 100 200 300 400

3

5

8

10

13

15

18

20

23

25

Tension (MPa)

0 100 200 300 400

3

5

8

10

13

15

18

20

23

25

Comp. Stress (MPa)

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0

3

5

8

10

13

15

18

20

23

25

Stroke (m)

0.0 40.0 80.0 120.0 160.0

3

5

8

10

13

15

18

20

23

25

ENTHRU (kJ)



Hammann

Méthodologie

Une analyse préliminaire de battage se conduit

de la façon suivante:

Prédiction de la résistance du sol au battage

(SRD) en battage continu et après cicatrisation

sur la base des données de sol

(géotechnique)

Modélisation numérique du système marteau

sol pieu

(GRL WEAP ou équivalent)

Vérification:



Hammann

0

1000

2000

3000

4000

5000

-300 200 700 1200

SRD

(kN

)

bl/m

79 k

J

63 kJ

48 kJ

31 kJ

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

0 2000 4000 6000

pe

n (

m)

SRD (kN)

SRD…SRD après…

o Nombre de coups raisonnable (<200 cp/m)

en battage continu et/ou au redémarrage

o Contraintes acceptables (< contraintes admissibles, en

compression pour l’acier, en tension pour le béton)

Méthodologie

Si on est confortable en contraintes et nombre de

coups, on est généralement en mesure

d’optimiser:

o l’épaisseur du pieu, souvent

dimensionnée au battage

o la taille du marteau



Hammann

Méthodologie


Risque majeur de dommage en pointe

Contraintes radiales et tangentielles, non 1D axiales

Modélisation 1D non représentative

Méthode dite « par analyse paramétrique » :

o Définit des fenêtres admissibles pour les paramètres de battage (nb coups / énergie)

o Une instrumentation du pieu réduit les risques (mesure de

l’onde réfléchie par la pointe)

o Méthode empirique mais validée par l‘expérience



Hammann

Méthodologie


0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 50000 100000 150000 200000

Ma

x C

om

pre

ssiv

e S

tre

ss (

MPa

)

BLO

W C

OU

NT

(bl/

m)

qc (kPa)

Blc b/m

CSX MPa

Allowable stress for SMYS 379 Mpa steel piles

Allowable stress for SMYS 448 Mpa steel piles



Hammann

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