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Nuisances à l’environnement liées au fonçage de pieux et ...eprints2.insa-strasbourg.fr/112/1/Rapport.pdfFigure 13 : Abaque liant accélérations particulaires, fréquence et

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  • Projet de Fin dEtudes, janvier juin 2006 Rapport final, 29 mai 2006

    Nuisances lenvironnement lies au fonage de pieux et palplanches

    Eric AKLE Elve Ingnieur Gnie Civil 5me anne

    Matre de Projet : Gilles REBOUL

    Tuteur de Projet : Jean-Georges SIEFFERT

    Dpartement des Ouvrages dArt (IGOA) Section Structures Soutnements et Fondations (ST SF)

    Dpartement Gnie Civil

    Projet de Recherche SNCF

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    Rsum

    Lusage dengins mcaniques puissants pour foncer des pieux et des palplanches dans le sol se multiplie. Deux mthodes simposent : le vibrofonage et le battage. Les dommages quelles engendrent vis vis de lenvironnement proche, notamment ferroviaire, sont encore peu quantifis. Dans une perspective conomique et technique en amont des projets, une mthodologie danalyse des risques devient indispensable. Cet article donne une vue densemble des prescriptions tablies hors de France vis vis de ces procds, et propose des prcautions de mise en uvre et des mthodes de prvision des nuisances gnres. Les enseignements des essais raliss sur site sont galement prsents. Pour corroborer les prdictions tablies, une analyse des sinistres rpertoris est envisager. Abstract

    The custom of powerful mechanical machines to drive piles and sheet-piles in the ground multiplies. Two methods are commonly used: vibratory sheet piling and impact driving. The damages which they engender face to face of the close, notably railroad environment, are again little quantified. In an economic and technical prospect upstream to the projects, a methodology of analysis of the risks becomes indispensable. This article gives a general view of the prescriptions established outside France face to face by these processes, and proposes precautions of stake in work and methods of forecast of the generated nuisances. The educations of the realized essays on-site are also presented. To confirm the established predictions, an analysis of the listed disasters is to be envisaged.

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    Remerciements

    Je tiens tout dabord remercier toute lquipe du groupe Fondations et Soutnements du dpartement des Ouvrages dArt de la SNCF pour leur accueil et leur aide, particulirement mon matre de stage, Monsieur Gilles REBOUL pour avoir su me guider travers ce Projet de Fin dEtudes. Je tiens galement remercier Monsieur Frdric ROCHER-LACOSTE, LCPC, pour tout lapport technique quil a su mapporter, et pour lopportunit quil ma offerte de le suivre travers sa thse, notamment grce la collaboration qui sest noue vis--vis des tudes sur site. Enfin, Je tiens remercier Monsieur Jean-Georges SIEFFERT, INSA Strasbourg, pour sa disponibilit, son soutien et son suivi.

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    Sommaire INTRODUCTION................................................................................................................................................. 6

    MISE EN SITUATION......................................................................................................................................... 7 A. PRESENTATIONS DE LA TECHNIQUE ETUDIEE .............................................................................................. 8

    1. Prsentation du vibrofonage .............................................................................................................. 8 2. Fiche comparative des deux mthodes : Vibrofonage/Battage......................................................... 12 3. Prsentation succincte du Projet National Vibrofonage.................................................................. 13

    B. LA PROBLEMATIQUE SNCF ET OBJECTIFS DE LETUDE............................................................................. 14 C. EVOLUTION DU PROJET DE RECHERCHE SNCF A TRAVERS CE PFE .......................................................... 15

    I. NUISANCES VIBRATOIRES.................................................................................................................. 16 A. NUISANCES DIRECTES : LES VIBRATIONS.................................................................................................. 16

    1. Mcanisme des vibrations.................................................................................................................. 16 2. Rglementation, normes en vigueur.................................................................................................. 17 3. Mthode de prvision, recherches entreprises ................................................................................... 20 4. Fiabilit et pertinence de la mthode de prvision de lEurocode 3.................................................. 21

    B. NUISANCES INDIRECTES : LES TASSEMENTS ............................................................................................. 24 1. Mcanisme des tassements................................................................................................................. 24 2. Rglementation, normes en vigueur................................................................................................... 26 3. Mthode de prvision, recherches entreprises ................................................................................... 28 4. Fiabilit des mthodes prconises ici............................................................................................... 36

    II. CAMPAGNE DESSAIS........................................................................................................................... 38 A. GENERALITES .......................................................................................................................................... 38 B. METHODOLOGIE DEVALUATION DES NUISANCES .................................................................................... 38

    1. Mesure des vibrations ........................................................................................................................ 38 2. Mesure des tassements ....................................................................................................................... 41 3. Mesures largies aux autres nuisances .............................................................................................. 41

    C. CHANTIERS AUSCULTES ........................................................................................................................... 42 1. Verberi : Fonage de palplanches dans les locaux dICE-IHC ......................................................... 42 2. Vesoul : suppression dun passage niveau ...................................................................................... 45 3. Bordeaux : suppression dun bouchon ferroviaire ............................................................................. 53

    III. PROPOSITION DUNE REGLEMENTATION................................................................................ 57 A. APPROCHE DES RISQUES LIES AUX VIBRATIONS ....................................................................................... 57 B. APPROCHE DES RISQUES LIES AUX TASSEMENTS ...................................................................................... 58

    1. Objet du document ............................................................................................................................. 58 2. Prambule : porte du document ....................................................................................................... 58 3. Considrations gnrales sur les principaux facteurs de risque vis--vis du tassement des terrains

    sous leffet du vibrofonage............................................................................................................... 59 4. Apprciation du risque en fonction de la nature du sol et de la sensibilit de louvrage................... 61 5. Recommandations suivant le niveau de prjudice encouru N1, N2 ou N3......................................... 63

    CONCLUSION.................................................................................................................................................... 65

    BIBLIOGRAPHIE.............................................................................................................................................. 66 NORMES EXISTANTES SUR LE SUJET .................................................................................................................. 67 GUIDES POUR LE MESURAGE DES VIBRATIONS ................................................................................................... 68 ARTICLES ET PUBLICATIONS .............................................................................................................................. 69

    Sur les tassements : ..................................................................................................................................... 69 Sur les vibrations :....................................................................................................................................... 70

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    Table des illustrations Tableau 1 : Comparatif des critres d'valuation des seuils de vibrations.............................. 18 Tableau 2 Type de dommage sur voies ferroviaires ................................................................. 27 Tableau 3 : Formules liant les grandeurs vibratoires entre elles ............................................ 35 Figure 01 : Exemples d'oprations de vibrofonage.................................................................. 7 Figure 02 : Exemple dopration de vrinage ........................................................................... 7 Figure 03 : Exemple dopration de battage ............................................................................. 7 Figure 04 : Schma type de la technique de vibrofonage......................................................... 8 Figure 05 : Schma type du vibreur ........................................................................................... 9 Figure 06 : Principe mcanique du vibreur ............................................................................... 9 Figure 07 : Mcanisme de fonage .......................................................................................... 10 Figure 08 : Exemple de type de casques .................................................................................. 11 Figure 09 : Comparaison entre normes de vibrations continues ............................................. 19 Figure 10 : Comparaison entre normes de vibrations intermittentes ...................................... 19 Figure 11 : Vibrofonage mthode Eurocode 3 / mesures effectues sur site ......................... 22 Figure 12 : Battage mthode Eurocode 3 / mesures effectues sur site .................................. 22 Figure 13 : Abaque liant acclrations particulaires, frquence et vitesses particulaires ...... 35 Figure 14 : Rsum des indications sur les tassements ........................................................... 37 Figure 15 : Outils de mesure des Vibrations ............................................................................ 39 Figure 16 Vue type dun Gophone .......................................................................................... 39 Figure 17 Sens de mesure dun gophone................................................................................ 39 Figure 18 : Verberi / Vibrofoneur ICE216.............................................................................. 42 Figure 19 : Verberi / Appareillage de mesure .......................................................................... 42 Figure 20 Verberi / Evolution du fonage dans le temps ......................................................... 44 Figure 21 Influence de la profondeur de fonage sur l'amplitude des vitesses particulaires .. 44 Figure 22 : Verberi / Evaluation de l'attnuation des vitesses particulaires avec la distance. 44 Figure 23 : Vesoul / Trpideur Menck120 proximit de la voie ............................................ 46 Figure 24 : Vesoul / Vibreur PTC20H et voies ferroviaires...................................................... 46 Figure 25 : vue densemble du chantier................................................................................... 46 Figure 26 : Attnuation des dcibels en fonction de la distance par rapport la source ....... 49 Figure 27 : volution de l'amplitude des vitesses particulaires avec la distance au systme

    vibratoire pour les phases de trpidage, MENCK SB120 ..................................... 51 Figure 28 : Evolution de l'amplitude des vitesses particulaires avec la distance pour la phase

    de vibrofonage, PTC20H ..................................................................................... 51 Figure 29 : Comparaison de l'volution de l'amplitude des vitesses particulaires suivant la

    profondeur de fonage selon les 3 directions de mesures, MENCK SB120 .......... 52 Figure 30 : Engin de forage (Becket)....................................................................................... 53 Figure 31 : Passerelle de Bordeaux ......................................................................................... 53 Figure 32 : Comparaison entre nuisances vibratoires induites par les engins de chantier et les

    trains...................................................................................................................... 55 Annexes

    Comparatif de normes internationales Rsum des mthodes de prvision des tassements Macro Visual Basic pour le traitement de donnes acquises sur site

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    Introduction Pour comprendre la problmatique de la SNCF, il faut envisager le contexte dans lequel elle volue. Labsence de connaissances et de retours dexpriences sur les nuisances engendres par les techniques de fonage entrane le matre duvre SNCF viter ces mthodes en sites sensibles.

    Au dbut de lanne 2006, la technique du vibrofonage est de plus en plus utilise. La pression des entreprises pour pouvoir utiliser cette mthode augmente car elle prsente des avantages non ngligeables qui sont entre autres : Un gain de temps :10mn de fonage en moyenne par lment Un avantage conomique Un gain de scurit : il nest pas ncessaire de maintenir llment foncer lors de la mise

    en fiche Un gain de place sur chantier Actuellement, lalternative employe en cas de risques est le battage. Cependant, il est galement avr que cette technique peut parfois se rvler plus nocive dans certains cas que le vibrofonage. Lenjeu est donc de faire le point sur les risques encourus par ces mthodes et de pouvoir les comparer dans le cadre dun usage pralablement dfini.

    Aboutir sur des rgles de prvision des nuisances lies aux mthodes de fonage permettrait en amont des projets de dterminer limpact des solutions constructives et daffiner les phases de chantier. A cette fin, Aurore LEJEUNE avait entam une phase exploratoire que je viens complter et affiner. De plus, toujours en restant dans le contexte de ce dbut danne 2006, lIngnierie SNCF est de plus en plus mise en concurrence par le matre douvrage RFF. De ce fait, le gain conomique et le gain en temps dexcution sont des donnes de plus en plus pertinentes. La pression des fabricants de vibreurs est galement forte car ils se sentent discrimins vis vis des fournisseurs dengins de battage. Ils poussent donc la SNCF justifier sa normalisation et ses choix techniques. Qui plus est, dans le domaine des soutnements et des fondations, la SNCF a un savoir-faire reconnu quelle affiche en tant partie prenante en termes de publications et de recherches entreprises. De ce fait, et afin daffirmer sa place, elle doit tre en mesure de mieux approcher ces questions. Tous ces faits concourent renforcer lattente, le poids et donc la lgitimit de cette tude pour la direction de lingnierie de la SNCF.

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    Mise en situation Il existe trois mthodes aux principes diffrents pour insrer des pieux et des palplanches dans le sol: Le vibrofonage, le battage et le vrinage. Les deux premires sont de loin les plus utilises dans les enceintes SNCF. Le vibrofonage est une technique encore crainte pour nuisances quelle peut engendrer et de ce fait, le battage est souvent utilis par dfaut. Dans le cadre de ce projet, je me limiterai ltude des nuisances cres par le vibrofonage. Une tude comparative des nuisances engendres par le battage et le vibrofonage sera mene la suite de ce PFE.

    Figure 01 : Exemples d'oprations de vibrofonage

    Figure 02 : Exemple dopration de vrinage

    Figure 03 : Exemple dopration de battage

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    A. Prsentations de la technique tudie

    1. Prsentation du vibrofonage La source des informations dlivres dans cette partie provient principalement de ltude exploratoire mene par lIREX en amont du Projet National Vibrofonage.

    a) Gnralits Le vibrofonage est utilis depuis les annes 1950. Schmatiquement, le vibrofonage utilise des vibrations forces pour enfoncer ou arracher un pieu du sol. De nouvelles applications du procd ont rcemment vu le jour grce lamlioration des technologies. Ainsi, de nouveaux vibreurs, plus performants, sont utiliss : vibreur hautes frquences ou masses excentres. Avec ces nouveaux quipements, le vibrofonage est devenu une technique plus adapte aux travaux en site sensible, notamment en ville car elle produit moins de bruit que le battage. Outre cet avantage, le vibrofonage est galement un outil trs comptitif en termes de rendement et de cadence. En effet, la dure de mise en place des pieux est significativement acclre par rapport au battage. De plus, le vibrofonage peut tre mis en uvre aussi bien lair (vibreurs hydrauliques, diesels ou lectriques) quen milieu sous marin (vibreurs hydrauliques ou lectriques). Cependant, le vibrofonage possde un inconvnient non ngligeable : la capacit portante. Des essais ont en effet montr que la portance des pieux vibrofons est, non seulement mal connue, mais galement infrieure celle des pieux battus. Ceci explique, en partie, la rticence des professionnels vis--vis de cette technique. Le projet national Vibrofonage lanc par lIREX vient rpondre ces interrogations vis--vis de la fonabilit, notamment grce au dveloppement de logiciels tel que Braxuus.

    Figure 04 : Schma type de la technique de vibrofonage

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    b) Prsentation succincte du matriel de vibrofonage Les vibrations sont gnres par un vibreur aliment par un gnrateur, dans la plupart des cas hydrauliques (ou lectrique ou diesel). La force gravitationnelle verticale qui permet lenfoncement provient de la rotation de masses. Elle est transmise au profil par lintermdiaire dune pince.

    Figure 05 : Schma type du vibreur

    Le vibreur est le cur du systme de vibrofonage. Il est compos de trois lments : le carter vibrant, ltrier de suspension et le casque.

    Figure 06 : Principe mcanique du vibreur

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    Le carter vibrant :

    Le carter vibrant est un des lments du vibreur en vibration. Le phnomne de vibration est gnr par la rotation de masse excentres identiques (ou balourds), tournant la mme vitesse mais en sens opposes. La force rsultante de ces rotations est une force uniquement verticale. Ces balourds sont toujours en nombre pair quelque soit la taille du carter vibrant.

    Figure 07 : Mcanisme de fonage

    Le fait que les deux balourds tournent en sens oppos pour consquence dliminer les forces horizontales Fh1 et Fh2 puisque chaque instant t elles sont de mme valeur mais en sens oppos. On rcupre alors une force purement verticale de valeur F(t) = Mexc w sin (w.t) avec : w, la vitesse angulaire des masses et Mexc : la somme des moments dexcentricit.

    Ltrier de suspension :

    Ltrier de suspension un rle important dans le systme car il filtre toutes les vibrations gnres dans le carter vibrant par lintermdiaire dlastomres. Il vite ainsi de transmettre les oscillations la grue qui supporte tout le systme. De plus son poids, il participe laugmentation de la masse du systme et donc laugmentation de leffort vertical ncessaire pour enfoncer le pieu.

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    Le casque :

    Le casque est solidaire du carter vibrant, il suit le mme mouvement que celui-ci. Suivant le type de profil foncer, on pourra choisir entre une pince et un casque. Enfin, le casque doit tre dimensionn par rapport la puissance du vibreur.

    Figure 08 : Exemple de type de casques

    Le terme pieu comprend les profils, les palplanches, les pieux tubulaires aussi bien en acier quen bton ou en bois. Le vibrofonage permet de foncer aussi bien en surface que sous la mer. Toutes les gomtries de pieu sont envisageables car il suffit pour chaque modle de slectionner la pince adapte pour raliser lopration.

    c) Notions de refus

    Le refus du vibreur est souvent dfini lorsquen 5 minutes de vibrofonage lenfoncement du pieu ou du profil est infrieur 25cm.

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    2. Fiche comparative des deux mthodes : Vibrofonage/Battage En Gnralits :

    Avantage du vibrofonage par rapport au battage : plus conome en nergie plus rapide de mise en uvre permet de faire des conomies substantielles par rapport au battage bien indiqu dans les terrains sableux, saturs ou non, et dans les terrains

    alluvionnaires soumet, en partie courante, lacier -ou le matriau constitutif du pieu- des

    contraintes qui restent nettement infrieures sa limite lastique

    Dsavantage du vibrofonage par rapport au battage :

    contrle moins troit de la portance lors de la mise en place dlments porteurs moins performant que le battage dans les terrains ayant une forte rsistance la

    pntration En fonction de la typologie du sol rencontr

    En ce qui concerne le battage Sols favorables au battage :

    Les sols meubles tels que vases et tourbes Les dpts lches de sables grossiers ou moyens Les graviers sans inclusions rocheuses Plus gnralement, les sols humides, immergs ou compltement saturs

    Sols dfavorables au battage : Les dpts denses de sables fins, moyens ou grossiers Les argiles dures et les couches rocheuses tendres moyennes Plus gnralement, les sols secs.

    En ce qui concerne le vibrofonage

    Sols favorables au vibrofonage : Les sols composs de sable grains arrondis et de graviers Les sols mous Les sols humides, immergs ou compltement saturs.

    Sols dfavorables au vibrofonage : Les matriaux grains anguleux Les sols compacts Les sols secs Les sous-sols granulaires pralablement compacts par les vibrations

    La distinction entre le domaine dutilisation du vibrofonage et le domaine dutilisation du battage est difficile faire, notamment parce que ces domaines sont proches et ont parfois des caractristiques communes. Ce sont les principales mthodes de fonage, mais il en existe dautres telles que le vrinage par exemple.

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    3. Prsentation succincte du Projet National Vibrofonage Ce projet de recherche est coordonn par lIREX, Institut pour la Recherche applique et lExprimentation en gnie civil, et remonte 1999. Laboutissement de se projet est prvu lors des journes de valorisation du vibrofonage , les 21 et 22 septembre 2006 la SMABTP (15me, Paris). De nombreuses entreprises sont partenaires de ce projet et, parmi elles, de grands groupes tels que la SNCF, Bouygues, GTM, ICE, PTC, ARBED mais galement des ports autonomes (Dunkerque, Le Havre, Nantes, Bordeaux), des organismes de recherches (CETE, CSTC) et lINSA de Strasbourg. Suite au Projet National TUBA qui a permit la mise en place dun procd de prvision et dinterprtation du battage de pieux, il a t envisag de raliser la mme tude pour le vibrofonage. Les trois objectifs retenus pour ce projet ont t les trois axes de recherches suivants:

    La prvision du vibrofonage des profils (pieux, palplanches), Lestimation de la capacit portante des pieux vibrofons, La prvision des vibrations gnres dans le sol par le vibrofonage.

    Les phases de recherches se sont appuyes sur 4 chantiers exprimentaux :

    Site de Montoir de Bretagne Essais sur pieux de support de passerelle (Dunkerque) Sable satur dans lestuaire de la Seine Argiles des Flandres (Marseille)

    Les recherches ont t divises en six phases dtudes : Phase 1 Enqute sur les tudes et recherches effectues sur le vibrofonage et tat des

    pratiques du vibrofonage. Phase 2 Constitution d'une banque de donnes sur le vibrofonage des pieux et

    palplanches. Phase 3 Adaptation de logiciels de prvision du vibrofonage et r analyse des donnes

    recueillies. Phase 4 Ralisation d'essais de mise en place de pieux, d'essais de chargement statique de

    pieux et de mesures des vibrations dans le sol gnres par le vibrofonage, afin d'amliorer la comprhension du vibrofonage et le calage du logiciel.

    Phase 5 Validation d'un logiciel de prvision du vibrofonage. Phase 6 Rdaction des recommandations sur la prvision du vibrofonage, sur l'valuation de

    la capacit portante des pieux vibrofons et sur les vibrations gnres par le vibrofonage, et valorisation des rsultats.

    Pour mon Projet de Fin dEtudes, je me suis concentr sur la 6me phase de ce projet, contenant la partie des nuisances lenvironnement (vibrations, tassements). Je me suis donc rapproch de Frdric ROCHER-LACOSTE (LCPC) en charge de cette partie. Ensemble, nous avons men plusieurs mesures de vibrations et de tassements sur site SNCF.

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    B. La problmatique SNCF et objectifs de ltude Les effets non dsirs du fonage sont lis la transmission des vibrations dans le sol. On peut identifier trois sujets susceptibles de souffrir de ces nuisances : lhomme, les sols, les structures. Pour les structures, on peut distinguer celles comprises ou non dans les emprises SNCF. Par structures, on entend les voies ferroviaires, les immeubles dhabitation, les ouvrages dart, etc. Je me suis concentr sur les nuisances engendres aux sols et aux structures. La problmatique de la SNCF vis--vis de ces mthodes de fonage est de plusieurs ordres : 1. Identifier les nuisances et leurs origines 2. Quantifier ces nuisances 3. Savoir anticiper et minimiser leurs impacts Cette problmatique intervient au moment o les connaissances lies aux mthodes de fonage saccroissent. Des projets nationaux ont t lancs afin de mieux matriser les paramtres entourant la fonabilit : le Projet National TUBA pour le battage et le Projet National Vibrofonage . Ce regain de connaissances pousse les acteurs ayant la ncessit du fonage sintresser aux recherches entreprises. Ainsi la RATP ou encore la SNCF multiplient les actions dans ce sens car les parties lies aux nuisances lenvironnement sont trs peu renseignes. La problmatique de la SNCF peut se rsumer en ces termes : spcifier une distance minimale au del de laquelle aucun dommage ne peut avoir lieu et tre mme de quantifier lintensit des nuisances en dessous de cette distance. Aurore LEJEUNE sous la tutelle de Daniel DUROT (entreprise Rincent BTP), a effectu en 2005 son mmoire de fin dtudes de Master Gologie Gotechnique sur le thme de la Densification des sols cause par le vibrofonage . Pralablement, elle a conduit une analyse de risques et a identifi deux nuisances majeures : les tassements et les vibrations. Ds lors, il me restait complter son tude, quantifier ces nuisances, et normaliser le suivi des phases de fonage. Cela incluait des essais sur site ou en laboratoire. La problmatique tant tablie, voici les objectifs du projet qui en dcoulent : 1. Etablir le potentiel de nuisances du vibrofonage et faire le bilan des mthodes de

    prdiction existantes 2. Vrifier la vracit des mthodes de prdiction des nuisances sur site et vis vis de

    sinistres rpertoris 3. Apporter la norme interne SNCF concernant les engins mcaniques puissants (IN 1226)

    un supplment dinformations et une procdure guide pour le fonage

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    C. Evolution du projet de recherche SNCF travers ce PFE Durant ce projet, une analyse des risques a t approfondie suivant diffrents types de sol. Un complment est apport dans ce rapport et cible les sables lches saturs comme tant les sols les plus dfavorables concernant les risques de tassements. Une campagne dessais en collaboration avec le LCPC a t mene dans diffrents types de sols et les conclusions, tant au niveau des nuisances vibratoires que des tassements, sont dtailles ici. Des rapports tablis dans le cadre d essais pralables ont galement t tudis pour enrichir cette tude. De relles difficults ont t rencontres pour multiplier les tudes de sinistres. Les cas suffisamment renseigns et dont les causes sont directement imputables aux mthodes de fonage sont en effet rares. Ce sont pourtant les seuls critres qui pourront valider les mthodes de prvisions tablies avec les essais sur site. Une approche bibliographique pourra cependant rpondre cette attente, des publications rpertoriant des retours dexprience ayant t identifies. Enfin, afin de prenniser lapport de cette tude, une publication sera ralise dans le cadre des journes de valorisation du vibrofonage sur le thme des rglementations existantes lies aux vibrations engendres et un site Internet sera ralis.

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    I. Nuisances vibratoires

    A. Nuisances directes : les vibrations

    1. Mcanisme des vibrations Les vibrations produites durant les oprations de construction deviennent une proccupation partir du moment o elles peuvent perturber les hommes au sens large et engendrer des dommages sur les structures et les sols adjacents. Les niveaux de vibrations perus par les humains comme tant modrment irritants, sont typiquement bien au-del des niveaux partir desquels les structures sont endommages. Plusieurs chercheurs ont tabli que les humains sont plus sensibles aux vibrations que les structures. Les hommes peuvent globalement percevoir les vibrations au-del de 0,25mm/s. Cela est approximativement 100 fois le niveau partir duquel les dommages aux structures risquent, soit 25mm/s. On peut distinguer deux classes part parmi les sources de vibrations : Les explosifs (vibrations impulsionnelles) Les engins mcaniques puissants (vibrations intermittentes ou entretenues) Les sources de vibrations telles que les engins de fonage peuvent tre ranges dans deux catgories distinctes : Les vibrations intermittentes ou rptes telles que les engins de battage dont la dure

    d'une mission (impulsion) est infrieure 500 millisecondes Les vibrations entretenues ou continues : les vibreurs et les engins de battage dont la dure

    d'une mission (impulsion) est suprieure 500 millisecondes. Il est galement ncessaire de prendre en compte les phnomnes de frquence de rsonance. Ainsi, il se peut que des vibrations entretenues soit plus dfavorables que des impulsions brves bien qutant damplitude bien plus leve, du fait que la frquence propre de lensemble sol-structure peut tre atteinte. Lnergie libre par des explosifs est bien plus importante que lnergie typiquement libre par le fonage. Par exemple, lnergie libre par 0,5 kg de TNT est de 5400kJ ce qui correspond entre 50 et 1000 fois lnergie libre par le fonage de palplanches ou de pieux. Le fonage gnre des ondes de compression et de cisaillement dans le sol et des ondes de surface majoritairement des ondes de Rayleigh. Ces ondes de surfaces contiennent 2/3 de la totalit de lnergie libre. Les ondes hautes frquences sattnuent, elles, plus vite.

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    2. Rglementation / normes en vigueur Pour pouvoir estimer limpact des vibrations en amont dun projet, il est ncessaire deffectuer des essais sur site, et notamment mettre en uvre plusieurs outils (vibreurs, marteaux) afin de dterminer la solution technique la moins dommageable. Les normes internationales compares en annexe Comparatif de normes internationales concernent la fois les vibrations intermittentes (transitoires) et continues. Les objectifs de cette comparaison sont multiples : Avoir une vue globale des critres empiriques rgissant les dommages lis aux vibrations Pouvoir juger le niveau de scurit des normes franaises Savoir mieux apprhender les futurs niveaux imposs par lEurocode 3 partie 5 Pouvoir justifier les prcautions prises vis vis des engins de fonage Apporter une contribution la rcriture de la norme interne IN1226 vis vis des

    vibrations. Au niveau SNCF, la norme IN1226 Emploi dexplosifs et autres procds spciaux, Utilisation dengins mcaniques puissants rgie les aspects vibratoires. Elle est la traduction interne de la Circulaire du 23 juillet 1986 relative aux vibrations mcaniques mises dans l'environnement par les installations classes pour la protection de l'environnement, (1986), INERIS : Institut National de l'Environnement Industriel et des Risques. Les principales conclusions de cette tude sont les suivantes :

    Que se soit en vibrations continues ou intermittentes, il apparat que les seuils prconiss par la norme Franaise sont plutt scuritaires vis--vis de ses homologues.

    La norme Eurocode 3 est, elle, moins svre que la norme franaise. Il est important de prendre du recul vis--vis de ces comparatifs tant les causes et

    critres dvaluation du risque sont diffrents. Cependant, lordre de grandeur de ces seuils de probabilit doccurrence de sinistres est un bon indicateur face un phnomne, les vibrations, difficilement apprhendable.

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    Paramtres pris en compte Type de vibrations : I : Impulsionnelle; IP : impulsions priodiques; C : vibrations continues

    Pays

    Nor

    me

    Dat

    e d

    app

    licat

    ion

    Frq

    uenc

    e

    Vite

    sse

    tota

    le

    Com

    posa

    nte

    de la

    vite

    sse

    part

    icul

    aire

    Dis

    tanc

    e

    Type

    de

    terr

    ain

    Type

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    dif

    ices

    Type

    de

    vi

    brat

    ions

    Type

    d'

    activ

    it

    Allemagne DIN 4150 1975 Oui Non Oui Non Non Oui I, IP Non USBN 1980 Oui Non Oui Non Non Oui I, IP Non

    USA OSM 817.67 1983 Oui Non Oui Non Non Oui I, IP Oui

    Italie UNI 9916 1991 Oui Non Oui Non Non Oui I, IP Non Suisse SN640312a 1992 Oui Oui Non Non Non Oui I, C Non

    France Circulaire du 23/07/1986 1986 Oui Non Oui Non Non Oui I, IP, C Oui

    Portugal NP 2074 1983 Oui Oui Oui Non Oui Oui I Oui Espagne UNE 22-381 1993 Oui Non Oui Non Non Oui I, IP Non Sude SS4604866 1991 Oui Non Oui Oui Oui Oui I, IP Oui

    Australie AS2187 1993 Oui Non Oui Non Non Oui I, IP Oui Inde CMRI 1991 Oui Oui Oui Non Non Oui I Non

    BSI5228 1997 Oui Non Oui Non Non Oui IP, C Non Angleterre

    BSI7385 1993 Oui Non Oui Non Non Oui I, IP Non Ecosse PAN50 2000 Oui Non Oui Non Non Oui I,IP Non Brsil NBR 9653 1983 Non Non Oui Oui Non Non I, IP Non

    Tableau 1 : Comparatif des critres d'valuation des seuils de vibrations Le critre de la frquence de vibration est le plus communment partag. A noter que certaines normes, telle que la norme italienne, ne considrent pas les vitesses particulaires comme lment de mesure des vibrations, mais plutt lacclration particulaire, comme en sismologie. Cependant, il est possible de jongler entre ces deux grandeurs par lintermdiaire de diagrammes dits tri-Log ou encore par le biais de formules en connaissant la frquence des vibrations missent dans le sol. Ces moyens de conversion sont dtaills ci-aprs. Lorsque le critre retenu est celui des vitesses particulaires, une nuance apparat. En effet, londe de surface qui se propage engendre des dplacements dans les trois directions de lespace, verticalement, longitudinalement et transversalement. Certaines normes prennent comme seuils de mesure le maximum de ces trois composantes, dautres en prennent la moyenne gomtrique. Les comparatifs de ces diffrentes normes selon le type de vibrations quelles rgissent (continues ou transitoires) sont prsents ci-aprs en figures 7 et 8.

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    Figure 09 : Comparaison entre normes de vibrations continues

    Figure 10 : Comparaison entre normes de vibrations intermittentes

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    3. Mthode de prvision, recherches entreprises Lvaluation de lattnuation des vibrations en fonction du type de sol rencontr est assez dtaille dans les normes et les littratures.. Linfluence de la distance D sur la vitesse v est typiquement de la forme v=K*D- travers un coefficient dattnuation K. Le principal obstacle rencontr est lvaluation de ce coefficient dattnuation qui dpend du type de sol et du type de fonage. Certaines mthodes de prvision des vitesses particulaires sont dtailles dans la littrature. Une mthode de prvision des vitesses particulaires est donne dans la partie 5 de lEurocode 3 : Pieux et palplanches . Cette approche informative prend en compte lnergie de lengin de fonage et la nature du terrain. En voici le dtail :

    * C : facteur dpendant de la mthode de fonage et

    des conditions de sol, [kg

    m ]

    * r : distance radiale mesure depuis la source avec r5m, [m] rw

    C *= en mm/s avec

    * w : nergie fournie par coup, [Joules].

    Evaluation de lnergie w fournie par cycle en Joules :

    Pour le vibrofonage :

    * P : puissance du vibreur, [Watt] fP

    w = avec : * f : frquence du vibreur, [Hz]

    Pour le battage :

    * m : est la masse du mouton en chute libre, [kg] * g : acclration due la pesanteur, = 9,81 [m/s] hgmw **= avec : * h : est la hauteur de chute, [m]

    Valeurs types indicatives du facteur C selon les conditions de sol et de fonage

    Mthode de fonage Conditions de sol Facteur C

    Sols cohrents trs raides, matriaux granuleux denses, roche, remblai comportant des obstructions massives de grandes dimensions. 1.0

    Percussion Sols cohrents raides, matriaux granulaires moyennement denses, remblai compact. 0.75

    Sols cohrents meubles, matriaux granulaires meubles, remblai meuble, sols organiques. 0.5

    Vibration Toutes conditions de sol 0.7 On retrouve le fait que plus la frquence est basse, plus les vitesses particulaires sont importantes. Ltude des seules vibrations ne suffit pas dlimiter lensemble des nuisances. Le degr de saturation du sol est un lment prpondrant non pris en compte par cette formule.

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    Remarque pratique : Il est noter que toutes mthodes de prvision des seuils de vitesses particulaires doit prendre en compte les ralits du terrain. Par exemple, avant toutes interventions sur site, lentreprise se doit de mener des essais pralables par des laboratoires habilits afin de sassurer que le matriel quelle compte utiliser nengendre pas de seuils de vitesses suprieurs ceux imposs par la rglementation. Or il est frquent de constater que certaines entreprises ne respectent pas lemploi du matriel ainsi valid du fait de disfonctionnements matriels la plus part du temps ou de gestion de stocks et de dlais. Il appartient donc au concepteur de projet danticiper ces alas en prenant en compte un surdimensionnement du matriel initialement prvu.

    4. Fiabilit et pertinence de la mthode de prvision de lEurocode 3 Afin de jauger la pertinence et le conservatisme de la rgle cite ci-dessus, il convient de la comparer un maximum dessais raliss sur site ou de rapport d essais pralables existants. Pralablement toute comparaison, il est ncessaire de rappeler que plus un lment (pieu ou palplanche) est fonc dans le sol, plus les niveaux de vibrations seront levs. Toute comparaison doit donc se faire avec les rsultats obtenus dans les derniers mtres foncs. Pour les vibrofoneurs, nous nous baserons sur lessai ralis Verberi. Il sagissait de foncer des palplanches sur 5m de profondeur. La courbe dvolution de la vitesse particulaire avec la distance la plus dfavorable est dtaille en figure 5. On peut remarquer que la mthode de prvision propose semble adquate car tout en restant enveloppe quelque soit la profondeur de fonage, elle reste suffisamment conservatrice. Aucune comparaison faite jusquau moment de la rdaction (sur une 20ne de rapport dessais) de ce rapport na contredit cette conclusion Pour le battage, les mesures reprsentes en figure 6 proviennent du rapport de mesure de lentreprise Vibratec, rapport tabli dans le cadre de la surveillance de battage pour suppression du PN42 Frjus. Il sagissait de foncer des palplanches sur 12m de profondeur. Le type de sol se situe dans la classe Sols cohrents raides, matriaux granulaires moyennement denses, remblai compact ce qui donne un coefficient C de 0,75. Deux marteaux ont t utiliss : un marteau hydraulique IHC-S35 dans une plage dnergie de 15 30kJ et un marteau diesel Delmag D30 utilis vers les 80kJ. Le rapport souligne que les niveaux maximaux en termes de vitesses particulaires taient indpendants de lnergie de fonage pour le marteau hydraulique. De mme, on peut remarquer ici que la mthode de prvision propose semble adquate car tout en restant enveloppe quelque soit la profondeur de fonage, elle reste suffisamment conservatrice. Il semble vident que ces comparatifs nont aucune valeur de gnralit du fait du faible nombre de mesures tudies. Cependant ils donnent une tendance quil faudra confirmer par la multiplication de rapprochements.

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    E v a lu a t io n d e l 'a t t n u a t io n d e s v ite s s e s p a r t ic u la ire s a v e c la d is ta n c e p o u r u n v ib re u r IC E -2 1 6

    0 ,0

    2 ,0

    4 ,0

    6 ,0

    8 ,0

    1 0 ,0

    1 2 ,0

    1 4 ,0

    1 6 ,0

    0 5 1 0 1 5 2 0 2 5D is ta n c e la s o u rc e , e n m

    Vite

    sses

    par

    ticul

    aire

    s, e

    n m

    m/s

    IC E -2 1 6 E u ro c o d e s 3

    IC E -2 1 6 S u r s ite

    Figure 11 : Vibrofonage mthode Eurocode 3 / mesures effectues sur site

    Comparaison entre un marteau hydraulique IHC-S35 et un marteau diesel Delmag D30

    0.0

    5.0

    10.0

    15.0

    20.0

    25.0

    30.0

    35.0

    40.0

    45.0

    50.0

    0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

    Distance radiale au systme vibratoire, en m

    Vite

    sses

    par

    ticul

    aire

    s pr

    vue

    s, e

    n m

    m/s

    IHC-S35 Eurocodes

    IHC-S35 sur site

    Delmag D30 Eurocodes

    Delmag D30 sur site

    Figure 12 : Battage mthode Eurocode 3 / mesures effectues sur site

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    Pour recouper la formule de lEurocode 3, j ai obtenu de la part du technicien suprieur du CETE de Lyon, Jean-Pierre SARASAR, en charge du rapport dessais pralables de vibrations sur le chantier de Vesoul, une fiche rcapitulative dune tude quil a ralis sur une vingtaine danne concernant les vibreurs (Pieux et Palplanches) et lattnuation des vitesses particulaires avec la distance en fonction des diffrents types de sols partir de ses interventions sur sites. Sur cette fiche rcapitulative, jai trac la courbe reprsentative de lEurocode3 partir de la configuration matrielle dtaille en B. Force est de constat que lEurocode3 est bien enveloppe.

    quation 1 : Comparaison entre les prdictions de lEurocode3 Partie5 et les mesures sur sites

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    B. Nuisances indirectes : les tassements

    1. Mcanisme des tassements

    a) Gnralits

    Le dveloppement de surpressions interstitielles, ventuellement jusqu' la liqufaction, et la rduction volumique des sols soumis des chargements cycliques sont lexpression du mme phnomne, cest dire la tendance irrversible des particules du squelette du sol vers un assemblage plus dense lorsquil est soumis des allers retours de contraintes de cisaillement. En condition de drainage, la rduction de volume est immdiate. En conditions non draines, la tendance une rduction volumique se traduit par une augmentation de la pression interstitielle, de telle manire que les contraintes effectives sont rduites des valeurs qui peuvent sapprocher de zro. Il est alors ncessaire de laisser jouer la consolidation du sol pour permettre la rduction de volume de soprer. Il ny a pas de rgles proprement parler qui rgissent les tassements. Les risques sont pris en compte dans les vitesses particulaires limites mesures proximit de llment fonc. Plusieurs chercheurs ont mis au point des modles de prvision des tassements prenant en compte lacclration ou les vitesses particulaires pour en dduire la densification ainsi engendre. Cependant, tassements rsiduels et vitesses particulaires ne peuvent tre totalement lis car si on prend lexemple de sables lches, plusieurs autres facteurs rentrent en compte tels que la densit ou encore lindice des vides critique de ces sols. Pour ce qui est de lidentification des causes de tassements, A.Lejeune a mis en vidence une analyse du risque en fonction du type de sol rencontr. De son tude, on peut retenir les points suivants :

    Les sols pulvrulents sont peu prs les seuls susceptibles dexhiber des variations de volume sous sollicitations cycliques.

    Il existe une diminution du tassement avec laugmentation de la densit relative. Contrairement ce qui est usuellement admis, lemploi dun vibreur hautes

    frquences est plus dfavorable vis--vis des tassements du fait dun endommagement des sols plus important soumis un nombre de cycle plus important.

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    b) Les causes des tassements Les causes de tassements sont multiples et peuvent tre ranges dans 5 catgories Lengin de fonage Les fondations de louvrage subissant les

    nuisances Rythme Prcautions prises par loprateur Position par rapport la palplanche Etat dentretien du matriel Puissance du vibreur Vibreur / processus utilis

    Type Profondeur Rigidit Fixit

    Le sol : Les pieux et les palplanches : Type Dimensions Frottement des serrures Tolrance dinstallation Qualit (raideur) Longueur de la fiche / profondeur Louvrage subissant les nuisances

    Irrgularit / Obstacles non-dtects Blocs de roche Inclusions Canalisations Rseaux Fondations anciennes Topographie de la surface / Stratification Niveau des nappes (tat sec ou satur) Type de sols : (Plus de risques pour les

    sols pulvrulents ou faiblement cohrents (sables, graves, graviers))

    Densit du sol (Plus de risques pour les sables lches moyennement denses)

    Forme structurale Matriaux Condition Orientation Contenu

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    2. Rglementation, normes en vigueur

    a) Impacts des nuisances induites par le fonage Les sources de risques de tassements pour les sols sont soit la densification, lendommagement sous chargement cycliques ou la liqufaction suivant leurs types. La rorganisation des grains dans le sol peut avoir lieu pour les sols pulvrulents. La liqufaction peut apparatre pour certains sols cohsifs. Lendommagement sous chargement cyclique peut avoir lieu pour certains types de sols tels que les loess. Le risque majeur de tassements rside principalement pour les sables lches saturs. Les effets des vibrations sur les structures vont de lendommagement esthtique la ruine des ouvrages. Les dfauts admissibles induits aux voies SNCF sont rgis par la norme interne IN 1895, "Normes de maintenance de la gomtrie et dcartement pour lignes classiques". Les dommages aux voies induits par les tassements peuvent tre de 4 types, dtaills dans le tableau n1, page suivante. Ces dgradations sont obtenues cause de dplacements qui peuvent tre la fois horizontaux et verticaux. Les dommages aux voies sont plus dfavorables que les dommages aux ouvrages. En effet, les draillements de trains sont dus des dfauts de voies de lordre du centimtre voir du millimtre selon la vitesse de circulation. Ds lors, si on prescrit les rails comme rfrence en termes de valeurs maximales admissibles, on se place du ct de la scurit pour tous autres types de structures. Cependant, on doit galement tenir compte de la capacit de rparation associe. Il est plus facile de rembourrer un talus sous voies que de rsoudre un problme de tassement sous un ouvrage dart.

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    Types de dommages aux voies en zone courante et tolrances associes selon la vitesse de

    circulation v Ecart Mini pour : 160km/h < v 220km/h Ecart Maxi pour : v 60km/h

    Type de dplacement Ecart admissible Schma type

    Min : 6mm Max :21mm

    Dplacements verticaux (tassements ou soulvements) Min :6mm

    Max :18mm (Sur la base de 3m)

    Min :6mm Max :20mm

    Dplacements horizontaux

    Min :6mm Max :22mm

    Tableau 2 Type de dommage sur voies ferroviaires

    Afin de cerner les rglementations en vigueur, il tait ncessaire de se pencher non seulement sur ce qui est mentionn en France mais galement sur ce qui lest ltranger. A. Lejeune avait dtaill et rsum les normes et recommandations franaises et jai de mon ct largi le panorama aux normes trangres. Il en rsulte que trs peu de recommandations en termes de tassements pour les engins de fonage existent actuellement et aucune rgle gnrale nest tablie. La majeure partie du temps il est fait mention du risque et de ses causes probables. LEurocode 3 stipule par exemple dans sa partie 5 que : Lorsque des palplanches troites pourvues dangles vifs entre laile et lme ou des palplanches profil creux ont t fonces dans des terres argileuses, largile peut se trouver emprisonne dans la section et laisser un trou bant important dans le sol, ou, dans le cas dun sol plus mou, entraner largile environnante vers la palplanche lors de lextraction. Le retrait dune file de palplanches dans ces conditions peut provoquer des tassements importants de part et dautre du rideau extrait. Les effets peuvent tre rduits par un remplissage des espaces vides (par exemple avec un coulis de ciment) au fur et mesure de lextraction des palplanches Cependant, une recommandation existe dans la norme hollandaise CUR 166 date de octobre 2005, et elle prconise de considrer que les tassements lis aux vibrations peuvent avoir lieu dans un cne partir de la pointe de llment fonc, dinclinaison 45, et donc formant la surface un cercle de rayon gal la fiche. Cette norme est schmatise en annexe : Prvision des tassements . De lavis des professionnels, elle est trs conservatrice.

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    3. Mthode de prvision, recherches entreprises La norme SNCF prconisait encore au mois de janvier 2006 une distance minimale de 50m qui avait t dcide arbitrairement. Cette valeur correspondait, pour ceux qui lont impos, la distance empirique minimale partir de laquelle, en sismique dexplosifs, on observe une attnuation totale du signale en surface. Suite aux travaux effectus dans le cadre de ce projet, la direction des ouvrages dart a dcid de ramener la distance minimale de scurit vis--vis du vibrofonage, actuellement de 50m, 30m. Consciente de la marge de scurit encore surabondante quelle impose, en attente des conclusions de ce projet (notamment suite au retour dexprience quil me faudra tablir sur un site particulirement sensible prs de Marseille) et des journes de valorisation du vibrofonage en septembre, la SNCF se rserve de modifier cette nouvelle limite de 30m. Une identification des causes et du mcanisme de densification des sols seront dabord prsents dans ce chapitre. Plusieurs approches de prdiction des potentiels de densification seront montres par la suite. Une proposition dvaluation des risques de tassement sera labore en fin de rapport. Cette proposition devra par la suite tre confirme par les retours dexpriences sur site mais galement par les journes dinformation ayant lieu sur le thme du vibrofonage au cours du mois de septembre.

    a) Prvisions des tassements Comme il a t montr plus en amont, les tassements horizontaux peuvent tre tout aussi voire plus nuisibles que les tassements verticaux. Il existe des prdictions qui valuent des cnes de tassements au-del desquels aucun tassement na lieu. Ces cnes prennent en compte tous les types de tassements, verticaux et horizontaux. La forme du cne est lie au fait que la densification du sol a lieu la proximit de llment fonc, dans un cylindre autour de celui-ci. Il est noter que si des lments ont t foncs pralablement dans le sol, les risques de tassements supplmentaires sont minimiss. Lordre de fonage des pieux est galement important. Il est prfrable de foncer tout dabord les pieux les plus proches des lignes ferroviaires ou des ouvrages afin de minimiser les mouvements latraux diffrentiels. Tout le but de cette tude est de savoir si lors de sinistres dont la cause a t directement relie une rorganisation de sol suite une mission de vibrations, les critres prsents plus loin auraient pu prdire ces dommages. Le seul sinistre SNCF rpertori et suffisamment renseign est celui du viaduc de Bezons Bras de Marly. Il a clairement pu tre tabli dans ce cas que les vibrations taient lorigine des tassements de part un suivi vibratoire et un suivi de nivlement pendant les phases chantier. Sur les plans dintervention de cet ouvrage, les piles qui ont subi des tassements se situaient dans un cercle dfini par un cne de hauteur gale au refus et de pente gale 2v/1h.

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    Plusieurs chercheurs se sont penchs sur la question des tassements induits par les vibrations et plus particulirement sur les risques induits par les engins mcaniques puissants dont font partie les engins de fonage (vibreurs, marteaux), tout particulirement de nombreux chercheurs du Nord de lEurope (Finlande, Norvge, Pays-Bas). Cela tient du fait que dans les pays dEurope du Nord, les sols sont majoritairement constitus de sables, type de sols sensibles aux tassements. Parmi ces chercheurs on peut nommer K.R. MASSARSCH de luniversit de (Sude), Piet MEIJERS et A.F. VAN TOL de luniversit Geodelft (Pays-Bas) avec lesquels jai pu mentretenir. Plusieurs chercheurs ont essay dtablir des modles de prvision des tassements en fonction du type de sol, seulement le problme est assez complexe modliser du fait du nombre de paramtres qui rentrent en ligne de compte. Un constat semble assez partag : lintensit des tassements est peu de choses prs fonction de linverse de la racine carre de la distance. Proposition de P.MEIJERS Piet MEIJERS, dans sa thse sur la densification des sables, a entrepris de faire des essais afin de mettre en place un modle de modlisation des tassements et donc, en bout de chane, un programme de prvision. Ses essais grandeur nature dans des sables ont montr que la densification tait limite pour la plupart des cas une surface de rayon 0.5 et 1.0m partir de la palplanche vibrofone. Pour son tude, il ne sest concentr que sur le sable. Selon lui, les effets du vibrofonage dans les argiles ne sont pas encore dtermins bien que les fabricants affirment quil ny a pas de densification dans les tourbes et argiles. Il est par contre tabli que la cohsion restreint la densification. Une camra haute-vitesse peut galement tre utilise pour mesurer la propagations des ondes la surface : connaissant le nombre dimage par seconde, il est possible de dduire la frquence des vibrations mais galement leurs amplitudes. Dans sa thse Observation on densification of soil during vibratory sheet piling (2005), P.MEIJERS a observ que des ondes P taient mises des amplitudes plutt leves et que celles-ci sattnuaient trs rapidement avec la distance. A quelques dcimtres du systme vibratoire, le mouvement ne pouvait dj plus tre distingu.

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    Proposition de MASSARSCH Lvaluation des tassements engendrs par le vibrofonage peut tre approche contre sens. En effet, le vibrofonage est galement utilis comme moyen de compaction de sols et dans ce cas les tassements sont dsirs. Cela ouvre alors une autre piste pour cette tude car la vibrocompaction est bien plus renseigne que ne lest le vibrofonage. On peut donc dduire partir des rendements de compaction rpertoris dans les documentations constructeurs des rgles pour le vibrofonage. A partir de lexprience acquise en termes de vibrocompaction, MASSARSCH a tabli une rgle simple qui permet en amont des projets de dterminer les risques de tassement. Il propose une estimation qui enveloppe la zone doccurrence de la densification sous chargement cyclique dans un cne de sommet situ la pointe de llment fonc et formant en surface un cercle de rayon gal L/2+3D, o L reprsente la longueur au refus de llment insr dans le sol et D sa grandeur caractristique la plus grande (rayon pour un pieu, largeur transversale pour une palplanche). Dans ce cne, il estime lintensit moyenne et maximale des tassements laide des formules suivantes en prenant pour les valeurs dans le tableau ci aprs. De plus, il remarque quune zone de forte densification est tablie dans un cylindre de rayon gale 3 diamtres du pieu. Cette rgle, qui a pour avantage destimer lintensit des tassements, est schmatise en annexe : Prvision des tassements . Elle ressemble la norme hollandaise CUR 166. Lavis de son auteur est que cette prdiction reste toute fois trs scuritaire.

  • 3)*6(*

    );*6(*maxDL

    sDLs moy+=+=

    Facteur de compression,

    Energie de fonage

    Type de sable faible Moyenne Forte Trs lche 0.02 0.03 0.04 Lche 0.01 0.02 0.03 Moyen 0.005 0.01 0.02 Dense 0.00 0.005 0.01 Trs dense 0.00 0.00 0.005

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    Proposition de R.A.P. Bement et A.R. Selby Ne pouvant mener des essais in-situ pendant la courte dure de mon projet, je me suis rfr la littrature existante pour confirmer les premires avances tablies. Un ouvrage fait rfrence dans la reproduction in-situ des vibrations engendres lors de phases de vibrofonage. Il sagit de Compaction of granular soils by uniform vibration equivalent to vibrodriving of piles, publi dans Geotechnical and Geological Engineering, Volume 15, Number 2, 1997, pp. 121-143(23) par R.A.P. Bement et A.R. Selby. Ces deux chercheurs ont men une tude en laboratoire pour identifier la rduction de volume dune gamme de sols granuleux en rponse des vibrations uniformes. Le but de ces tests tait de quantifier le potentiel de tassement par compaction des sols granuleux d aux vibrations typiquement de lordre de celles que lon observe lorsque lon fonce ou lon extrait des pieux ou des palplanches laide de vibrofoneurs. Les conditions in-situ ont t reproduites dans un laboratoire par des vibrations dans une cellule de Rowe contenant un chantillon de sol. Cela permettait de contrler les contraintes appliques durant les vibrations. Les tests ont t conduits dans 9 sols granuleux diffrents, du sable du gravier sableux fin moyennement fin. Les chantillons de sables ont t prpars une densit relative minimale, gnralement dans un tat satur, mais galement sec ou en parti satur. Chaque chantillon a t consolid des contraintes effectives slectionnes entre 10 et 100kpa. Ensuite, il tait vibr verticalement avec des incrments dacclration contrls, sous condition de drainage libre et de maintien de la contrainte de confinement. La rduction dans lchantillon tait mesure de manire continue. Les rsultats ont montr que mme dans les chantillons de petite taille et drains, la rduction totale de volume ntait atteinte seulement quaprs de nombreuses minutes, bien que le phnomne ait t rapidement constat. Les tendances des rsultats quils ont obtenus rejoignent les premires constatations empiriques du premier rapport : Plus le terrain est consolid, plus la compaction vibratoire engendre est faible. Les sols saturs ont un plus grand taux de compaction que les sols secs ou partiellement

    saturs. Plus la frquence des vibrations augmente, plus le taux de compaction est faible.

    Cependant, ils constatent que la frquence influence peu la compaction. R.A.P. Bement et A.R. Selby ajoutent quun sable peu uniforme montre une meilleure compaction quun sable plus uniforme.

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    Approche de ltude par le biais dacclrations particulaires Il est difficile de prdire, en phase avant-projet, le potentiel de densification et donc de tassements suivant le type de sol rencontr. Il me fallait donc approcher le problme diffremment. Il existe dans la littrature des critres limites partir desquels lapparition de tassements est juge possible proximit de llment fonc. Ces critres sont donns sous la forme dacclrations particulaires, exprimes en m/s ou encore en multiples de lacclration gravitationnelle g , (g 9.807m/s) . Les vibrofoneurs entranent des vibrations dont lacclration se situe typiquement dans une gamme de 0.02g 1.0g. Rappelons ce stade que lintrt premier de la SNCF est ddicter une distance partir de laquelle tout vibrofonage ou battage est interdit et dtre mme de quantifier lintrieur de cette distance les tassements qui sy produisent. Pour parvenir la grandeur distance , il existe des relations et des abaques pour transposer une acclration particulaire en terme de vitesse particulaire (voir pages suivantes). Pour obtenir une distance partir de la vitesse particulaire limite correspondante, il est possible de passer par le biais de formules de prdiction telles que celle donne dans lEurocode 3, Partie 5 (voir pages suivantes) qui estime la vitesse particulaire une distance D du systme vibratoire en fonction du type de sol et de lnergie dlivre par coup par lengin de fonage. Sachant que cette formule est dj enveloppe et donc conservatrice, la distance obtenue comporte un facteur de scurit non ngligeable. Plusieurs rsultats ont t tablis dans ce domaine. Lacy et Cloud dans Settlement from pile driving in sand ont tabli aprs une analyse

    de 19 cas de tassements avrs, principalement dus lusage de marteaux hydrauliques, que dans les sables lches saturs dune densit relative infrieure 50%, le critre de 2.5mm/s tait un niveau suffisamment reprsentatif du risque dapparition de tassements consquents.

    Claugh et Chameau ont remarqu, en 1980, dans Measured effects of vibratory sheetpile driving , que des vibrations engendres une acclration suprieure 0.05g pouvaient entraner dans les sables lches non uniformes des tassements dynamiques non ngligeables proximit du systme de fonage.

    R.A.P. Bement et A.R. Selby dans Compaction of granular soils by uniform vibration equivalent to vibrodriving of piles ,1997, ont tabli que la compaction dbute entre 0.2 et 0.4g puis saccrot nettement quand lacclration excde 1g . Qui plus est, la densification se fait des profondeurs limites et ne dpassant pas 10m en de de la surface. Selon eux, la compaction est improbable au-del dune distance de 5m du systme vibratoire moins quune liqufaction rpandue nait lieu.

    Partant de ces ordres de grandeur, il est possible de remonter un critre en termes de distances limites dapparition des tassements.

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    Prenons une application numrique la plus dfavorable possible afin dexpliquer ce raisonnement : Les frquences de vibrations des vibreurs sont typiquement de lordre de 20 40 Hz.

    Nous prendrons la borne infrieure de cette gamme soit f=20Hz. La puissance des centrales hydrauliques est typiquement de lordre de grandeur

    P=500kW. Approche de Claugh et Chameau : acclration limite = 0.05g A partir dune acclration limite de 0.05g, soit selon les formules :

    V = Ag /(0.000641 * f ) = 0.05 /(0.000641*20) = 3.9 mm/s

    Le facteur C de conditions de sol et de fonage est de 0.7 quel que soit le type de sol pour du vibrofonage

    4.283.920

    310*500

    *0.7Vmax

    w*CD == soit D30m

    On retrouve le mme ordre de grandeur que la valeur propose par Lacy et Cloud de 2.5mm/s. On retombe galement sur la distance actuellement en vigueur la SNCF Approche de Bement et Selby: acclration limite = 0.2g A partir dune acclration limite de 0.2g, soit selon les formules :

    V = Ag /(0.000641 * f ) = 0.2 /(0.000641*20) = 15.6 mm/s

    Le facteur C de conditions de sol et de fonage est de 0.7 quel que soit le type de sol pour du vibrofonage

    09.715.6

    20

    310*500

    *0.7Vmax

    w*CD == soit D 7m

    On retombe sur la distance prconise par Bement et Selby denviron 5m. Ces deux applications doivent tre prises et tudies avec prcaution. Elles sont en effet trs scuritaire du fait que les valeurs de base donnes par les chercheurs en terme dacclration contiennent dj un facteur de scurit, quun autre facteur de scurit est ajout en utilisant la formule conservatrice de l Eurocode3 et quenfin cest la combinaison matriel la plus dfavorable qui a t tudie. La premire valeur de 30m correspond lapproche de Claugh et Chameau en 1980 or lpoque les vibreurs excentricit variable ntaient pas encore disposition pour diminuer les phnomnes dbranlement. Qui plus est, ltude a t mene en grande partie avec des marteaux hydrauliques ce qui pose encore une fois la question de la supriorit des nocivits engendres par le battage. La seconde valeur propose par Bement et Selby me semble plus adquate car on retombe sur des valeurs correspondant celles donnes par les rgles empiriques, cest dire la longueur de llment fonc soit entre 10 et 20m.

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    Les formules ou abaques de correspondance entre acclrations et vitesses voqus prcdemment ont un intrt plus large. En effet, certains quipements sensibles tels que des gurites de signalisation comportant des outils informatiques ou lectroniques utilisent des seuils limites exprims en termes dacclration.

    Vitesses et dplacement V = * f * D

    Acclration et dplacement

    A = 2 * * f * D Ag = (2 * * f * D) / g Si D est en mm: Ag = (2 fD) / 9807 = 0.00201*f*D

    Acclration et vitesse

    A = 2 * * f * V Ag = (2 * * f * V) / g Si V est en mm/s : Ag = (2 * * f * V) / 9807 = 0.000641 * f * V

    Vitesse ou acclration en dcibels: A(dB) = 20Log(A/A0); V(dB) = 20Log(V/V0) Avec A= acclration, A0 = acclration de rfrence, V = vitesse Vo= vitesse de rfrence

    Tableau 3 : Formules liant les grandeurs vibratoires entre elles

    Figure 13 : Abaque liant acclrations particulaires, frquence et vitesses particulaires

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    4. Fiabilit des mthodes prconises ici Arcelor, dans son Piling handbook , Chapter12: Noise and vibration from piling operations , 8th Edition, January 2005 stipule une distance de 5m au-del de laquelle tout tassement est improbale sauf sil existe des risques de liqufaction rpandue sous chargement cyclique. Une autre approche du problme consiste envisager le vibrofonage comme un outil de renforcement des sols. Cette technique de fonage est ainsi galement utilise en vibrocompaction, et dans ce cas, les tassements ne sont plus craints mais bien dsirs. Dans ltude exploratoire de lIREX dans le cadre du Projet National, Vibrofonage des pieux et palplanches , Opration du Plan Gnie Civil de Mars 1998, il est mentionn (2.5.2) un bilan des mthodes de densification des sols par vibrofonage. Il est ainsi crit : Lespacement des points de densification varie, selon les techniques employes, entre 1 et 3m, rarement 4-5m. Au-del de cette distance, lnergie transmise par unit de volume de sol nest pas suffisante pour dstructurer le sol, ce qui exclut toute possibilit de rarrangement des grains, donc de tassement . Ces 4-5m sont bien situs dans les diffrents cnes mentionns ci-dessus. Toutes ces approches permettent de mener une analyse des risques cohrente. Une proposition de rglementation sur les tassements est dtaille en Partie 3.

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    Figure 14 : Rsum des indications sur les tassements

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    II. Campagne dessais

    A. Gnralits A dfaut davoir pu identifier des sinistres clairement attribus des phases de fonage, des essais ont t raliss sur plusieurs chantiers afin de pouvoir claircir et cerner les causes probables de risques. Du fait de linterdiction impose en dessous de 50m, trs peu de chantiers de vibrofonage ont lieu proximit ou dans les enceintes SNCF. Les seuls cas existants sont soit autoriss dans le cas dune dmolition proche chance des installations existantes.

    B. Mthodologie dvaluation des nuisances Dans le cadre de mon projet, il mest demand dans une mme logique dapprhension des nuisances, de proposer une mthodologie de mesure standard sur site. En voici une esquisse.

    1. Mesure des vibrations

    a) Descriptif du matriel employ Afin de mesurer les vibrations, des gophones et une unit dacquisition sont ncessaires. Peut sajouter cet ensemble un GPS afin de positionner prcisment le systme de mesure sur des chantiers de grandes tendues tels que des mines par exemple.

    Un gophone a pour but denregistrer les dplacements du sol. A cette fin, il est compos daimants lectromagntiques qui enregistrent les mouvements du sol par rapport un niveau. La retranscription des mouvements peut se faire dans les trois directions. Les trois broches la base permettent dancrer le gophone dans le sol afin de transmettre le plus fidlement possible les mouvements du sol. Il est prcis aux futurs utilisateurs quils pourront rencontrer des difficults en essayant dimplanter les gophones dans des terrains granuleux.

    b) Prcautions de mise en uvre Une attention particulire devra tre porte au gain dacquisition des mesures. En effet, un gain trop faible ne permettrait pas daffiner les mesures et linverse un gain trop fort entrainerait une saturation du signal enregistr. Ainsi, pour des mesures de coup de marteau, un gain idal est de 16, pour une circulation urbaine le gain adquat se situe entre 1024 et 2048.

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    c) Analyse et interpretation des mesures Afin dtudier des phnomnes tels que le vibrofonage dont les frquences de fonctionnement sont typiquement entre 10 et 40Hz, il est ncessaire dacqurir un grand nombre de points de mesures. Pour distinguer les 3 sorties du gophones correspondant aux trois directions de mesure, une astuce simple est retenir. La voie du gophone ayant la plus forte amplitude correspond la direction horizontale la plus proche de la direction de la source (de londe). Afin de diffrencier les deux voies restantes, on peut utiliser le critre suivant : plus on sloigne de la source, plus lamplitude diminue sans pour autant que la frquence soit modifie. De ce fait, la composante verticale sera la plus faible des deux composantes. Le signal obtenu aprs transfert sur outil informatique est une banque de donnes (Excel) regroupant des mesures de position ranges par voies et prises par intervalle de temps dcid au pralable par lutilisateur. Pour en dduire une comparaison vis vis des vitesses particulaires limites, il est ncessaire de dduire de ces donnes de position les vitesses mesures. Pour cela, il faut dterminer lamplitude du signal puis la diviser par le nombre de pas temporels sparant deux pics de valeurs.

    Figure 15 : Outils de mesure des Vibrations

    Figure 16 : Vue type dun Gophone

    Figure 17 : Sens de mesure dun gophone

    Gophones

    Gophones dinitialisation

    Boite dacquisition

    GPS

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    Les vibrations sont mesurs laide dune unit dacquisition de mesures de type CityShark, de gophones de marque GeoSpace de 4Hz au nombre de 4 spars de 5, 10, 15 et 20m du systme vibratoire pour valuer lattnuation des vitesses particulaires. Les tassements sont mesurs aux mmes distances et proximit immdiate des fondations dun ouvrage sil y a en un proximit et sur la voie sil y en a une proximit. A partir des mesures denfoncement, on peut demble tracer lvolution de la profondeur de fonage en fonction du temps. Le but tant par la suite de retrouver partir de Braxuus les coefficients en lastoplastique ou en viscoplastique correspondants la courbe de fonage obtenue sur site. Afin de faciliter le traitement des donnes en aval des visites, jai dvelopp une macro sous Excel, prsente en annexe. Une fois transform, on obtient un fichier ayant en en-tte les caractristiques des rglages de lunit dacquisition (gain, frquence dchantillonnage, date, emplacement GPS) et des colonnes dans lesquelles sont consignes les donnes provenant des gophones. A chaque colonne correspond un sens de mesure pour un gophone donn. Sachant que nous disposions de 4 gophones tri-directionnels de mesure et 1 gophone uni-directionnel de rfrence, cela fait au total 13 entres considrer. Une fois les colonnes et les sorties de gophones relies, ensuite, on identifie le dbut du signal correspondant une profondeur denfoncement donne. Il reste partager le fichier en tronons dune seconde partir du dpart fix. Ds lors, on prend pour chaque profondeur mesure, lchantillon dune seconde correspondant que lon enregistre dans un fichier dnomination prdfinie. Les courbes de variation des donnes en fonction du temps tant sinusodales, on extrait pour chaque chantillon le maximum et le minimum des donnes en valeur absolue que lon moyenne pour tre le plus juste, colonne par colonne. Ensuite, pour chaque fichier, on transforme les donnes en vitesses particulaires par la formule suivante :

    X Amplitude sur un chantillon dune seconde des donnes enregistres bits v Vitesse particulaire m/s G Gain Sans unit C facteur de conversion bits/volt

    S*C*GX

    v = avec

    S Sensibilit du capteur, donnes constructeur en fonction de l'amortissement Volt/m/s Pour exploiter les mesures, il faut distinguer les tudes suivant chaque composante de vitesse selon les prescriptions de la circulaire du 23 juillet 1986. On reprsente les courbes dvolution des vitesses particulaires en fonction de la distance pour en dterminer une loi dattnuation. On peut galement tracer lvolution des vitesses particulaires avec la profondeur denfoncement.

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    2. Mesure des tassements Pour tudier les tassements engendrs, un simple suivi topographique est conseill. Il doit tre effectu avant et aprs les travaux pendant une dure pouvant aller jusqu' deux semaines pour valuer linfluence des pressions interstitielles. Pour les chantiers visits, nous avons mesur les tassements 5,10, 15 et 20m de la source vibratoire. Une camra haute-vitesse peut galement tre utilise afin de visualiser la propagation des ondes en surface (apparition dondes P) et leur attnuation.

    3. Mesures largies aux autres nuisances Des mesures sonores ont t ralises 5 et 20m de la source afin de couvrir un panel plus larges des nuisances engendres.

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    C. Chantiers auscults

    3 cas ont t tudis respectivement Vesoul, Bordeaux sur le pont sur la Garonne et sur le site dICE Verberi. Ces cas relvent individuellement dun intrt particulier : Vesoul car des profils et des palplanches ont t fonces proximit dun ouvrage SNCF et dune voie ferroviaire existante, le pont mtallique sur la Garonne de Gustave Eiffel car prsentant un risque de mise en rsonance et le site dICE pour la possibilit dtude des tassements et de transmission des vibrations avec lutilisation dengins de fonage diffrents.

    1. Verberi : Fonage de palplanches dans les locaux dICE-IHC

    a) Prsentation du site Contexte et intrt des mesures Dans le cadre du partenariat nou lors du projet national, ICE nous a ouvert ses portes courant du mois de mars 2006 pour une campagne dessais. Le but premier de ces mesures tait de tester le matriel de mesure, de roder lexploitation des donnes. Cette visite a t galement loccasion pour moi de profiter de lexprience technique et de lavis dun fabriquant de vibreur.

    Figure 18 : Verberi / Vibrofoneur ICE216 Figure 19 : Verberi / Appareillage de mesure Engins Utiliss Les essais ont eu lieu courant du mois de mars 2006 avec un vibrofoneur ICE-216 dune frquence de 38Hz et dune puissance de lordre de 425kW soit une nergie denviron 11,2kJ.

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    Profil fonc Ce sont des palplanches qui ont t utilises pour ce site taient des PU20 foncer sur 5m de profondeur. Conditions de sol Sur 30cm on a de la terre vgtale, puis du limon sableux brun sur 30cm, puis du sable et des graviers. Appareillage de mesure Le dispositif dcrit prcdemment a t mis en place pour les mesures de vibration. Aucun dispositif de mesure de tassements na t mis en place, seul deux photos ont t prises avant et aprs les phases de fonage un emplacement strictement identique. Deux sonomtres sans dispositifs dacquisition automatiques ont t utiliss conformment la norme qui impose de maintenir les dispositifs de mesure hauteur des yeux et des oreilles. Une camra a galement t utilise pour rendre compte de lessai et faciliter la prise de mesure de lenfoncement

    b) Apport ltude Concernant les vibrations Les courbes obtenues la suite de ces essais sont prsentes dans les pages suivantes. Les enseignements directement tirs de ces essais sont les suivants :

    Tout dabord, la courbe denfoncement est conforme la littrature (figure n6). Il serait intressant de comparer cette courbe denfoncement avec celle que renvoie le logiciel de prvision Braxuus labor dans le cadre du projet national Vibrofonage.

    On peut galement remarquer sur la figure n7 que plus la palplanche rentre dans le sol, plus les vitesses particulaires mesures sont importantes a distance fixe de la source.

    Plus on est proche de la source, plus les vitesses particulaires sont importantes. A partir de la figure n8, on peut remarquer que la mthode de prvision prconise

    par lEurocode 3 semble adquate du fait quelle est conservatrice tout en tant raliste. De plus, quelle que soit la profondeur de fonage, elle englobe toujours les courbes de vitesse. Cette mthode de quantification des vibrations a plusieurs avantages : Elle permet en phase davant projet davoir une approche des risques pouvant tre engendrs par les vibrations sur des structures tels que des gurites de signalisation, relais de tlcommunication ou tout autre quipement informatique ou lectronique. Elle permet donc de dterminer le matriel le plus adquat lenvironnement du projet.

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    Concernant les tassements A partir des photos prises avant et aprs les phases de fonage a un emplacement fixe, force est de constater quaucun tassement notable de lenvironnement proche na t signal. Cela sexplique car le site ou ont t mise en place les palplanches dessai possdait dj en son sein nombre de palplanches qui avaient t fonces par le pass. De ce fait, le sol avait dj t pralablement densifi. Concernant les nuisances sonores Lordre de grandeur du niveau sonore mesur est de 85 dBA. Il est difficile cependant dexploiter lattnuation des niveaux sonores avec la distance, lordre de grandeur 5m semble suffisant pour ltude.

    0

    50

    100

    150

    200

    250

    300

    350

    0 50 100 150 200 250

    Temps en seconde

    Enf

    one

    men

    t en

    cm

    Courbe de foncage

    Figure 20 Verberi / Evolution du fonage dans le temps

    0.0

    2.0

    4.0

    6.0

    8.0

    10.0

    12.0

    14.0

    16.0

    0 100 200 300

    Longueur de palplanche fone en cm

    Vite

    sses

    par

    ticul

    aire

    s en

    mm

    /s

    20m 15m 10m 5m

    Figure 21 Influence de la profondeur de fonage sur l'amplitude des vitesses particulaires

    0.02.04.06.08.0

    10.012.014.016.0

    0 10 20

    Distance la source en mtre

    Vite

    sses

    par

    ticul

    aire

    s en

    m/s

    Prvisions Eurocodes 3

    Profondeur 75cm, t=2s

    Profondeur 225cm, t=75s

    Profondeur 325cm, t=220s

    Figure 22 : Verberi / Evaluation de l'attnuation des

    vitesses particulaires avec la distance

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    2. Vesoul : suppression dun passage niveau

    a) Prsentation du site Contexte et intrt des mesures Le chantier de Vesoul (suppression dun passage niveau) prsente de nombreux avantages pour ce projet de recherche. En effet, il permet davoir un exemple de chantier dans lequel on vibrofone proximit presque immdiate de louvrage (de 5m ~10m) dans des conditions de fonage tout fait justifiables : la voie est fonde sur une hauteur du ballast denviron 1m puis sur des terrains granuleux

    et sur des sables argilo-bitumineux. Qui plus est, le chantier se trouve moins de 30m dune gare avec un rallant de 40km/h afin de limiter la vitesse de certains trains de fret qui ne sarrtent pas en gare de Vesoul

    enfin, louvrage proximit supportant la voie sera dmoli dans les semaines qui suivent les phases de blindage.

    Profil fonc Des pieux HEB 300 ont t mise en uvre soit avec un vibreur PTC 20H soit avec un trpideur MenckSB120 et des palplanches PU16 et PU20 ont t fonces laide dun vibreur ICE 416. Conditions de sol Sous les voies, on a du ballast sur 1m de hauteur, du remblai sur 20/25cm puis des limons sableux et du sable grossier puis de largile verdtre sur une dizaine de mtre puis des marnes argileuses. Appareillage de mesure Le dispositif dcrit prcdemment a t mis en place pour les mesures de vibration. Un suivi des tassements sur la voie la plus proche des phases de fonage a t convenu : un point 0 a t ralis avant les essais et il a t convenu que lopration serait rpte une fois les essais raliss, puis le soir mme, le lendemain matin et le lendemain soir. En fonction de lvolution des relevs, la frquence de suivi serait value. Deux sonomtres sans dispositifs dacquisition automatiques ont t utiliss conformment la norme qui impose de maintenir les dispositifs de mesure hauteur des yeux et des oreilles.

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    Figure 23 : Vesoul / Trpideur Menck120 proximit de la voie

    Figure 24 : Vesoul / Vibreur PTC20H et voies ferroviaires

    Figure 25 : vue densemble du chantier

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    b) Apport ltude

    Concernant les vibrations Les essais ont montr que les vibrations transm