Les essais sur pieux

1. Définition du pieu :

Les pieux, ou aussi appelés inclusions verticales, sont des éléments de fondation apparentés à des colonnes. Les pieux sont partiellement ou totalement enfouis dans le sol, et servent à transmettre les efforts appliqués sur les fondations.

2. Cas d’application :

Les pieux sont utilisés lorsque le sol n’est pas suffisamment résistant, stable ou homogène pour assurer une stabilité à la structure.

-Si le sol possède une couche plus dure mais en profondeur, les pieux seront disposés de telle façon à ce que les charges de la structure soient transmises à cette couche.

-Si le sol ne possède aucune couche suffisamment solide pour soutenir le bâtiment, les pieux transmettront les efforts au sol par frottements sur la surface des pieux.

-Les pieux sont aussi couramment utilisés dans d’autres domaines d’application, comme la construction sur pilotis, la construction marine, la construction de ponts, la réparation de fondations par micro pieux, ou encore à titre préventif pour prévenir les dommages dus aux activités sismiques.

3. Classification des pieux :

3.1.Inclusions préfabriquées

Cette catégorie reprend bien sûr tous les pieux qui sont fabriqué avant d’être amené sur place. On peut en distingués de trois natures différentes.

o Pieux en bois   : probablement la plus vieille méthode de renforcement des fondations. Pour des longueurs d’ancrage ne dépassant pas 12m.

o Pieux métalliques  : profilés en H ou tubes cylindriques. Les longueurs usinées vont de 12 à 21 m. Pour une même longueur de pieu, les pieux métalliques sont plus coûteux que le pieux béton, mais ils ont une plus grande capacité de reprise de charge pour un poids donné, ce qui peut réduire les coûts de mise en oeuvre.

o Pieux en béton  : utilisables pour une grande gamme de charge qui dépend de la géométrie du pieu, de la résistance en compression du béton et des armatures. Le béton a l’avantage d’être utilisable dans les sols corrosifs. On les utilise sans raccord jusqu’à 15 m dans le cas de pieux en béton armé, jusqu’à 40m dans le cas des pieux en béton précontraints et à des profondeurs supérieures pour des pieux avec des raccords.

Une fois arrivé sur site, tous ces pieux sont mis en place par battage. Ce dernier consiste à enfoncer le pieu dans le sol par l’action d’une masse tombante, appelée mouton.

Avantages et inconvénients de l’inclusion préfabriquée : Avantage :

o contrôle possible avant l’insertion dans le sol,o stabilité dans les sols compressibles,o de très grandes longueurs de pieux peuvent être mises en oeuvre. Désavantage :

o risque de casse lors de la mise en placeo peu économique si le choix et donc le coût des matériaux est guidé par les contraintes

de mise en oeuvre plutôt que par les contraintes en service,o impossibilité d’insérer de gros diamètres.

3.2. Pieux réalisé sur site :

Cette catégorie reprend tous les pieux qui sont fabriqué sur le site même. Ils sont directement moulés dans le sol. On ne retrouve donc uniquement des pieux en béton.

Les méthodes de fabrication et de mise en place de ces pieux sont nombreuses. Certains procédés sont même bien particuliers à la société qui s’occupe du chantier. Pour cela, nous n’allons reprendre dans ce chapitre, uniquement les procédés les plus fréquents et expliquer leur principe.

3.2.1. Pieux battus ou forés :

o A tube battu :Ce procédé consiste au battage par mouton d’un tube bouchonné jusqu’à une cote prédéterminée. Le ferraillage et le bétonnage gravitaire se fait à l’abri du tube. Le tube est ensuite extrait du sol. Ce procédé se fait par refoulement du sol sans déblais.

o Forés simple :Ce procédé n’utilise pas de soutènement de parois. Il ne s’applique donc que dans les sols suffisamment cohérents. Un forage est exécuté dans le sol par des moyens mécaniques et ensuite rempli par du béton et des armatures. La section du forage est circulaire. Grâce à un outillage spécial, il est possible de foré des puits de 1.5 à 2 mètres de diamètre jusqu ‘à une profondeur de 30 mètres. Ces pieux sont réservés aux charges exceptionnelles.

o Forés à tarière creuse :Le procédé des pieux forés à la tarière creuse se caractérise par le forage du sol à l’aide d’une tarière jusqu’à la profondeur souhaitée, puis par l’injection du béton sous pression par l’axe de l’outil tout en remontant celui-ci. La cage d’armature est mise en place par vibreur.

3.2.2. Pieux VCC (Vibro Concrete Column). La procédure de mise en oeuvre consiste à introduire dans le sol un vibreur électrique jusqu’à la couche dure. Le matériau de la couche dure est ensuite compacté par le vibreur. L’instrument est alors légèrement remonté et le béton est introduit. La colonne est construite en remontant lentement l’instrument. Cette technique est faite par refoulement

du sol et elle ne génère pas de déblai, elle permet dans certaines conditions d’améliorer les propriétés du sol.

Dans un sol cohérent, les caractéristiques des VCC ne diffèrent pas de celles des autres procédés. Par contre, dans des sols granulaires, la capacité portante de la colonne peut être améliorée grâce au compactage du sol réalisé par la vibration.

3.2.3. Inclusions par mélange d’un liant avec le sol.

Les inclusions par mélange d’un liant avec le sol permettent de réaliser des colonnes de sols stabilisés qui peuvent s’apparenter aux inclusions rigides. Le but de ce procédé est de réaliser dans un premier temps, un désordre dans la structure du sol, et ensuite, d’injecter un coulis de ciment sous pression pour le stabiliser et former ainsi le pieu.

Ces techniques ont été développées d’une part pour le renforcement des sols compressibles et d’autre part pour leur stabilisation.

Avantages et inconvénient des pieux fabriqué sur place :Avantages :

o variation de la longueur pour mieux s’adapter aux conditions du sol,o insertion de gros diamètres,o pas de risque de soulèvement de sol.

Désavantages :

o risque de striction dans les sols compressibles,o installation du béton non faite dans des conditions idéales,o élargissement du pied de l’inclusion impossible dans un sol sans cohésion.

4. Mise en place des pieux (groupes de pieux).

À partir d’une certaine charge à reprendre, la section du pieu est si grande qu’il devient plus économique de mettre un groupe de pieux relié par une chape de béton.

On ne met pas les pieux n’importe comment (disposition), pour des raisons de résistance, des raisons de coûts, des raisons pratiques,…

On ne met pas les pieux dans n’importe quel ordre pour des raisons pratiques.

La résistance d’un groupe de N pieux n’est pas égale à N fois la résistance d’un pieux, c’est du:

o Au poids de la dalleo À l’influence mutuelle des pieuxo Aux charges excentréeso Aux moments

Grâce à des expériences on est parvenu à trouver des formules empiriques pour calculer la charge que peut reprendre un groupe de pieux. La charge max=2D (B+L) k1 +BLk2

K1et k2sont fonction de paramètres comme la résistance du sol

Ça agis comme si ce n’était qu’un seul bloque.

Les formes et les dimensions de chape sont dictées par le nombres de pieux; ces dispositions, les plus courantes, minimisent la surface au sol et favorise un arrangement symétrique par rapport aux charges.

La chape doit dépasser de minimum 150mm du pieu pour des raisons d’encrage de la chape avec le pieu et ne pas dépasser le diamètre du pieu pour des raisons économique.

L’ordre de battage des pieux a u n grande importance ; par exemple on ne bat pas tous des pieux en ligne car ça va crée un plan de déversement (ex la bêche) ; quand on bat un pieux il y a refoulement du sol ce qui peut provoquer si on les bat les un à la suite des autres des boursouflures dans le sol, accroître la résistance du sol ou faire remonter le pieu voisin.

L’espacement entre les pieux et important car il détermine la dimension de la dalle. (L’espacement min= 2*diamètre du pieux)

On doit battre du centre vers l’extérieur.

Parfois un pieu doit empêcher une structure de glisser ou de monter

5. Dimensionnement des pieux.

Le calcul des pieux de fondation doit être, dans la plupart des cas, réalisé suivant deux sollicitations :

o L’étude à la portance. La charge verticale qu’un pieu peut reprendre est équilibrée par une résistance à la pointe du pieu, Rp, et par des frottements latéraux, Rf.

o L’étude de la flexion du pieu lorsqu’il est soumis à des charges horizontales.

A) L’étude de la portance : Elle commence toujours par une étude géotechnique du sol (détermination de sa nature, son module de Young,…). Pour ce faire, on utilise un pénétromètre (sorte de « mini » pieu) pour réaliser des sondages pressiométriques. On mesure alors la résistance à la pénétration du sol, c’est-à-dire la résistance de pointe et les frottements latéraux. De nombres essais ont permis de montrer que les résultats obtenus avec cet appareil pouvaient être utilisés pour la détermination de la force portante (sauf pour les sols très faibles, Rp~0 => on parle de pieux flottants).

Lors d’essais sur site, on a observé que les lignes de rupture (du sol créées par la pénétration du pieu) formaient un bulbe de résistance (bulbe de pression). Il faut toutefois atteindre une certaine profondeur Lc pour que la ligne de glissement (donc le bulbe) puisse se développer complètement dans le milieu résistant. En effet, un phénomène de transition fait passer plus au moins rapidement (d’autant plus rapidement que le milieu est peu serré) la charge d’une fondation superficielle à une couche du sol plus profonde. Par contre, on a constaté que le frottement latéral était faible dans ce bulbe. C’est pourquoi, on doit la déduire de la longueur du pieu lors du calcul de la force portante.

Pour l’étude de la portance, on peut également réaliser des essais de mise en charge (sous une charge choisie, on relève l’enfoncement du pieu en fonction du temps). Mais, cette méthode est moins utilisée, car pour bien faire, il faudrait mener l’essai jusqu’à la rupture, ce qu’on ne fait jamais évidemment.

B) L’étude de la flexion :

La résistance du pieu à ce type de sollicitation dépend fortement de la nature du sol. D’où l’intérêt des essais de pénétration effectués pour la portance. En général, la flexion d’un pieu n’est pas dangereuse en soit, puisqu’il suffit alors de l’armer (s’il est en béton). Par contre, il faut être sur de la nature du terrain et de la réalisation du pieu (pas de section défectueuse, càd plus faible). En effet, pour les terrains dont la butée (charge horizontale maximale avant glissement) peut être dépassée, le pieu peut se déplacer et la fondation, glisser. Dans le cas d’efforts horizontaux, on emploie souvent des pieux obliques non fléchis, mais comprimés axialement. Dans certains cas, la mise en flexion des pieux est accidentelle : poussée des terres ou choc horizontal, mouvement de terrain et rupture profonde, d’où cisaillement des pieux dans le félénius (zone de mouvement des terres).

B) Les formules actuelles :

Il existe une panoplie de formules tenant compte de la réalisation du pieu et de leur utilisation. Elles sont généralement basées sur des constatations expérimentales (caractéristiques du sol). Toutefois, on peut distinguer des formules statiques (pour les pieux coulés par exemple) et des formules dynamiques (pour les pieux battus par exemple). Dans ce dernier cas, il faut déterminer le mouton à utiliser ainsi que l’énergie à lui fournir (Attention : tenir compte du type de choc).

Quelque soit le type de pieu utilisé, il ne faut jamais dissocier l’étude du tassement d’un sol et l’étude des pieux. En effet, au fil des années, le terrain se tassant, la longueur considérée comme active pour les forces de frottements latérales seront moindre. D’où, il en résultera une portance plus faible.

Essais et contrôles géotechniques sur les pieux

L'essai de chargement statique des pieux est considéré comme le procédé de référence pour évaluer la capacité portante d'un pieu ou son tassement maximal sous une charge donnée. L'essai d'intégrité peut, quant à lui, détecter d'éventuels défauts dans les pieux (discontinuité du bétonnage, rétrécissement du fût, ségrégation du béton), mais ne fournit pas d'indication directe sur le pouvoir portant de l'élément. Le présent article décrit brièvement ces deux types d'essais couramment réalisés par le CSTC.

Essais de mise en charge statique des pieuxL'essai de mise en charge statique d'un pieu de fondation se déroule sur une durée de quelques heures et consiste à appliquer sur ce dernier une charge croissante en traction ou en compression. Durant cet essai, le déplacement de la tête du pieu est notamment observé.

Cet essai peut tout d'abord servir de test de vérification. Dans ce cas, la charge exercée sur le pieu équivaut à 150 % de la charge de service et n'est pas instrumenté. Cet essai, généralement réalisé par l'entrepreneur, fournit des informations relatives aux déplacements attendus.

L'essai de mise en charge statique des pieux peut également être utilisé pour le dimensionnement des fondations sur les chantiers de plus grande envergure. Les résultats de l'essai servent alors à la fois à dimensionner et à optimiser le projet. Dans certains cas, cet essai est en outre obligatoire (p. ex. en cas d'incertitude quant aux conséquences de la technique de mise en œuvre, au comportement du pieu dans un certain type de sol ou aux charges spécifiques). L'essai doit alors être effectué jusqu'à la rupture géotechnique. De plus, outre le déplacement de la tête du pieu, la déformation de ce dernier à diverses profondeurs (raccourcissement lors d'un essai de compression et allongement lors d'un essai de traction) est également mesurée.

Schéma de principe de la méthode impulsionnelle et illustration de l'essai de chargement statique

Toutes les mesures sont enregistrées de manière automatique et continue. Celles-ci

permettent non seulement de déterminer le déplacement de la tête et de la base du pieu, mais également d'évaluer la répartition de la charge dans le pieu et, enfin, de savoir dans quelle mesure les différentes strates du sol déterminent la capacité portante du pieu.

Les essais dynamiques, généralement plus rapides et moins coûteux, peuvent remplacer les essais statiques. Toutefois, selon l'Eurocode 7, ces essais doivent toujours être calibrés par des essais statiques.

Essais d'intégritéBien que les essais d'intégrité ne fournissent pas d'information directe quant au dimensionnement des fondations, ils permettent néanmoins de détecter d'éventuels défauts des pieux qui risqueraient d'affecter leur stabilité, notamment :

une discontinuité dans le béton ou une mauvaise qualité de celui-ci

un rétrécissement du fût

une profondeur d'assise qui ne correspond pas à la profondeur attendue.

Le choix d'un essai d'intégrité se fait en fonction du type de fondation (pieu foré, barrette, paroi moulée dans le sol) et de la géologie du sol. Les méthodes les plus couramment utilisées sont les méthodes impulsionnelles (génération d'un choc mécanique) et les méthodes soniques (émission d'une onde ultrasonore).

D'une manière générale, les méthodes impulsionnelles sont plus rapides et moins coûteuses que les méthodes soniques, mais leur domaine d'application est plus restreint (cf. tableau).

Limites d'utilisation des méthodes impulsionnellesLongueur du pieu L < 25 mDiamètre du pieu D ≤ 800 mmElancement du pieu 10 < L/D < 30 Type de sol Un frottement trop important le long du fût peut conduire à un

amortissement important de l'onde au contact sol-pieuType de fondations Essentiellement applicable aux pieuxCaractéristiques du défaut à détecter

Une modification de section et de qualité du béton de l'ordre de 20 % sur une longueur minimale de 0,8 m

L’essai de chargement dynamique de pieu

HistoriqueLongtemps contesté en France, l’essai de chargement dynamique de pieu pour la détermination de sa capacité portante se développe dans les années 60 en Amérique du nord. Son usage se répand dans les pays nordiques et l’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 de la fiabilité et de la précision des résultats.Longtemps réservé au club fermé de l’industrie offshore et pétrolière, son introduction dans l’Eurocode 7 suscite un intérêt grandissant auprès de l’industrie française de la construction.

AnalysePlusieurs types d’analyses indépendantes peuvent être effectuées sur les signaux enregistrés:

Un certain nombre de méthodes analytiques ont été développées, dont la plus répandue est la méthode de Case. Elle se base sur des approximations qui limitent son application à des pieu uniformes, courts, peu frottants. La méthode de Case peut-être appliquée en temps réel et fournit à ce titre des informations préliminaires très utiles à l’opérateur. Elle n’est cependant pas acceptée par l’industrie pour établir de façon définitive la capacité portante d’un pieu.

L’analyse globale considère uniquement l’énergie transmise au pieu et le tassement induit. Elle est rapide et ne nécessite pas toujours une instrumentation du pieu, mais se base sur des hypothèses de comportement dynamique des sols, ce qui la rend structurellement moins précise que la méthode par calage. Elle est acceptable pour l’établissement de la capacité portante de pieux dans la mesure où elle a été calibrée sur des résultats d’analyses par calage.

L’analyse par calage, effectuée au moyen du logiciel CAPWAP, compare l’onde réfléchie à l’onde incidente, et établit itérativement un modèle numérique de sol qui génère une onde réfléchie similaire à celle enregistrée. La capacité portante du pieu est établie en distinguant les frottements visqueux de la résistance statique des sols.

Un tassement de 3 à 5 mm par coup est nécessaire pour obtenir un résultat fiable. L’analyse par calage est la seule méthode acceptée pour l’interprétation des données d’un essai de chargement dynamique de pieux. Elle requière une bonne compréhension de la théorie de propagation des ondes dans un pieu et des modèles de comportement dynamique des sols, ainsi qu’une certaine expérience. Elle est généralement réservée à des ingénieurs géotechniciens formés et entrainés. Une certification est fortement souhaitable.

Services

Pour certains chantiers qui présentent des difficultés particulières, G-Octopus peut-être sollicitée pour l’exécution des services suivants :

Assistance technique à distance ou sur site

Supervision d’essais et revues d’analyses

Instrumentation de battage et essais de chargement dynamique pour : les structures offshore, les battages sous-marins, les essais de pieux de grande capacité, etc ....

TDR2 : Test de l’intégrité des pieux par la méthode de Réflexion (écho) et d’impédanceTest de l’intégrité des pieux par la méthode de Réflexion (écho) et d’impédance

Mesurer la longueur d’un pieu.

Mesurer la raideur d’un pieu.

Mesurer l’impédance caractéristique d’un pieu.

Connaître la forme d’un pieu.

C’est ce qui est possible très rapidement et avec une grande facilité avec le testeur d’intégrité de pieu TDR2

Le TDR2 est le dernier-né d’une série d’appareils de test de pieu.

La mise en œuvre est très simple, et ne nécessite aucun équipement particulier du pieu.

L’opérateur pose un capteur de vitesse (géophone) sur la tête du pieu. La liaison mécanique est améliorée avec un peu de graisse silicone entre le géophone et la fondation. L’opérateur provoque une impulsion mécanique en tapant un coup sur la tête du pieu avec le marteau équipé d’un capteur de force.

Les signaux de force et de vitesse sont alors enregistrés.

Le TDR2 peut immédiatement calculer la longueur du pieu, sa raideur basse fréquence, et son impédance caractéristique.

Le traitement concerne bien sûr la réponse impulsionnelle par recherche de l’écho de fond, mais également la courbe d’admittance (ou de mobilité), qui est le rapport Vitesse / Force exprimée en fonction de la fréquence.

Le testeur d’intégrité de pieu TDR2, à été conçu pour être d’une grande facilité d’utilisation. La formation pour être capable d’acquérir les signaux ne prend que quelques instants.

Un traitement plus poussé, et surtout une aide à la rédaction du rapport est possible à l’aide du très performant logiciel de traitement TPAP sous Windows.

Les signaux enregistrés dans le TDR2 peuvent être en effet transférés rapidement sur un P.C. de bureau ou portable par un câble USB fourni avec le TDR2.

Les résultats des tests de pieux pourront ainsi être sauvegardés, traités, et imprimés avec un grand confort.En plus de ses grandes performances, le MIMP16 est petit, léger, autonome et, solide.

Il est livré avec une bandoulière permettant à l ‘opérateur de passer de pieu en pieu sur un chantier.

L’opérateur ne tient donc dans les mains que le marteau et le géophone.

Le TDR2 permet de tester beaucoup de pieux sur un chantier, ce qui rend les essais très rentables.

Caractéristiques principales du TDR2:

Totalement portatif et autonome.

Peu encombrant : 218mm x 187mm x 55 mm

Léger : 1,35 Kg

Boîtier étanche IP64.

Ecran noir et blanc 122 mm x 92 mm

Ecran protégé par une plaque transparente anti-choc et anti-reflet.

Multi-alimentation :1) Batterie interne avec autonomie de 8 heures.2) Ac 220 Volt.3) Dc 12 Volt (allume cigare).

Charge rapide en 7 heures sur 220 Volt ou 12 Volt.

Capacité de stockage interne : 700 acquisitions.

Géophone SENSOR type SM6 4,5 Hz.

Marteau instrumenté avec un capteur de force.

Connecteurs différents afin d’éviter les erreurs de branchement.

Logiciel interne en Anglais, français ou espagnol (suivant demande).

Résultats des mesures de pieu exportables vers un ordinateur de bureau, pour traitement et rédaction du rapport avec le logiciel TPAP.

Matériel conforme à la norme américaine ASTM D5882 sur le test des pieux.

Matériel conforme aux normes françaises NF P 94-160-2 et NF P94-160-4 sur le test des pieux.

Le TDR2 est livré complet et prêt à l’emploi avec le matériel suivant:

Une unité TDR2

Un marteau instrumenté

Un géophone

Un embout de remplacement pour le marteau

Un cordon USB de transfert de données

Un chargeur de batterie par le secteur

Un cordon de charge par l’allume cigare

Une notice d’utilisation

Un CDROM du programme de traitement TPAP

Un certificat de calibration pour l’unité

Un certificat de calibration pour le marteau

Un certificat de calibration pour le géophone

Trois cartes de calibration

Une valise de transport

Une sacoche de protection de l’unité TDR2

Contrôles de réalisation

Ces contrôles ne se cumulent pas tous. Ils s’appliquent selon les types de pieux. Nous ne donnons ici que les contrôles les plus courants et indispensables.

Contrôle de la profondeur Attention tous les mètres ne sont pas étalonnés aux Poids et Mesures !

Contrôle de la qualité de la boue (Viscosité en particulier) Si la boue est trop épaisse le bétonnage risque de se passer dans de mauvaises conditions. Si elle est trop légère, il y a risque d’éboulement dans le forage, en particulier si la nappe phréatique est haute ou près du niveau de la plateforme de travail. Il faut vérifier également qu’elle n’est pas polluée par des produits chimiques qui peuvent polluer le sol des fondations. Il faut également vérifier que la teneur en sable est faible avant de bétonner sous peine d’avoir des emballements de matériaux dans le béton du pieu.

Contrôle de la géologie attendue et surtout de la qualité du sol de l’ancrage. Le niveau de la nappe est essentiel pour la bonne réalisation des pieux. Une nappe artésienne serait catastrophique pour le béton. (Cela peut vite arriver quand pour faire des économies on descend trop le niveau de travail par un pré-terrassement).

Contrôle de la bonne qualité du bétonnage (qualité de la boue, teneur en sable).

Contrôle du bon centrage des armatures Avant le bétonnage, on descend la cage d’armature dans le forage et il faut mettre des cales pour que celle-ci soit bien centrée dans l’axe du pieu sous peine d’avoir des moments parasites plus tard.

Contrôle de la qualité du béton Vérifier en cours de bétonnage que le retardateur et le plastifiant sont bien présents. Prise d’échantillons pour vérifier sa résistance à 7 jours ou à 28 jours. A la fin du bétonnage en tête du pieu, particulièrement pour les bétonnages à la colonne sous la boue, vérifier que le béton en supplément qui sort du forage est de bonne qualité.

Contrôle du volume du béton coulé pour les fondations moulées dans le sol En effet, il faut vérifier le volume du béton à chaque niveau c’est-à-dire que le béton monte normalement et qu’il ne disparaît pas dans une caverne ou autre karst.

Les enregistrements électroniques Aujourd’hui de plus en plus de machines sont capables de prendre les mesures essentielles (profondeur du pieu, pression du béton, vitesse de remontée de l’outil, etc.) et de les retranscrire dans un rapport disponible en temps réel pour le maître d’œuvre et ses contrôleurs.

L’enregistrement ci-dessous (SBPieux) : Il est réalisé pendant toute l’exécution du pieu. Il montre la vitesse d’avancement et le couple du moteur de rotation pendant le forage et la pression de béton et le profil du pieu pendant le bétonnage.

Enregistrement des paramètres de forage(SBpieux - Droits réservés)