Auscultation dynamique des pieux par transparence

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1 Auscultation dynamique des pieux par transparence -si,; J. CARRACILLI Assistant Département des structures et ouvrages d'art Laboratoire central C HACUN sait l'importance de la qualité des fondations pour un ouvrage. Dans bien des cas ceux-ci sont bâtis sur pieux. L'exécution de ces pieux doit présenter, pour assurer la pérennité de l'ouvrage, un certain nombre de garanties. De ce fait, si les essais en cours de construction sont fondamentaux, il n'en reste pas moins vrai que le contrôle a posteriori est nécessaire pour apporter la certitude de la bonne exécution du pieu. L'objet de cet article est de proposer un type de contrôle a posteriori qui ne peut s'appliquer qu'aux pieux forés dans le sol et aux parois moulées à condition, bien entendu, d'avoir prévu et réalisé la mise en place de tubes de réservation. GENERALITES La fabrication des pieux dans le sol est souvent difficile. On s'expose de ce fait à des problèmes d'exécution dont les conséquences sont d'autant plus graves qu'ils sont la plupart du temps ignorés du maître d'oeuvre. Ces difficultés sont dues principalement à la présence de corps étrangers (boue, eau, terre, roche désagrégée, cailloux), qui peut avoir les origines suivantes : matériel mal adapté au type de pieu, mauvais nettoyage du fond de trou,. procédé de bétonnage mal adapté ou mode opératoire mal suivi, emploi d'un béton non maniable ou segregable, prise du béton entre le tube de travail et la gaine, circulation d'eau importante. Ces anomalies peuvent intéresser le fût, la pointe ou la partie supérieure du pieu. En pointe cela se traduit par un mauvais contact béton-rocher ou par une désagrégation importante d'une zone de sol initialement compacte (sable, gravier ou argile) les malfaçons du fût ont généralement pour conséquence une discontinuité partielle ou totale du fût (éboulement de terrain, béton délavé, etc.). Quant aux malfaçons de tête, elles sont dues le plus souvent à la présence d'inclusions de bentonite. C'est pour s'assurer de la bonne exécution du pieu que le LCPC a mis au point un appareillage d'auscultation dynamique dont cet article présente les caractéristiques essentielles. PRINCIPE DE LA METHODE La méthode consiste à mesurer le temps de propagation du son dans le pieu à différentes profondeurs. Toute variation de ce temps est liée à une hétérogénéité du béton du pieu. Pour cela, il s'agit de faire descendre dans au moins deux tubes d'acier 50/60, préalablement mis en place et fixés aux armatures, un émetteur et un capteur. L'émetteur piézo-électrique placé dans l'un des tubes génère une impulsion qui est transmise dans le 9 Bull. Liaison Labo. P. et Ch juil.-août Réf. 494

2 béton et reçue par le capteur se trouvant dans l'un des autres tubes et situé au même niveau : c'est-à-dire dans un même plan horizontal. Un treuil déplace continûment les deux transducteurs, et un enregistreur papier reproduit les variations des temps de propagation du son en fonction de la profondeur de la mesure (fig. ). Coupe BB' Emetteur Il se présente sous la forme d'un boîtier cylindrique en duralumin de 40 mm de diamètre pour 240 mm de long. A l'intérieur se trouve un tube puisant (26/2 X 50) : c'est une céramique de titanate de barium et de zirconate de plomb de la société «Quartz et Silice», et un transformateur qui restitue sous une tension de volts le signal électrique reçu du générateur. Le boîtier est percé de grandes lumières au niveau du tube puisant qui est de ce fait en contact avec l'eau contenue dans les tubes de réservation. Le reste du boîtier est étanche de façon à protéger les organes électriques. Capteur Extérieurement, il est identique à l'émetteur déjà décrit. En fait, il est composé de deux tubes puisants (26/2 X 25 mm) montés en opposition. La vibration reçue et transformée en signal électrique est amplifiée et mise en forme grâce à une électronique incorporée dans le boîtier lui-même. Le rapport signal sur bruit s'en trouve grandement amélioré et le signal acquiert une parfaite stabilité (fig. 2). Fig. 2 - Emetteur et capteur d'auscultation dynamique. Générateur d'impulsion Fig. - Schéma d'installation. Nota : La mesure se fait suivant l'axe déterminé par l'intersection des plans AA' (diamétral) et BB' (horizontal). DESCRIPTION DE L'APPAREILLAGE Cet appareillage f ' est constitué des éléments suivants : émetteur piézo-électrique, capteur piézo-électrique, générateur d'impulsion, compteur électronique, enregistreur.. Le CEBTP a mis au point un appareillage similaire. d'encom C'est un ensemble entièrement transistorisé brement et de poids réduits. D'impédance de sortie très basse, le générateur délivre des trains d'ondes de fréquences ajustables et de nombre de> créneaux variables. La largeur de ces créneaux étant également variable, il offre toutes les possibilités et toute la souplesse d'emploi souhaitables. Compteur électronique C'est un oscillateur piloté par quartz et accordé sur une fréquence de 0 MHz, ce qui donne une impulsion tous les /0 de microseconde. L'enclenchement et le déclenchement de cet oscillateur sont commandés respectivement par les signaux issus de l'émetteur et du capteur. L'affichage numérique du temps de propagation mesuré se fait directement par des tubes Nixie et, parallèlement à cet affichage numérique, le signal sort sur enregistreur par l'intermédiaire d'un convertisseur digital analogique. 20

3 IMPLANTATION On place, avant le bétonnage, contre la cage d'armature et à l'intérieur de celle-ci, des tubes en acier fermés à leur extrémité inférieure. Ces tubes, ou réservations, constituent les passages indispensables pour descendre les transducteurs. Ceux-ci se déplacent verticalement dans les tubes, préalablement remplis d'eau, pour assurer un bon couplage acoustique. Les deux transducteurs sont commandés électriquement par un même treuil qui assure un déplacement continu. Le nombre total de mesures effectuées par pieu est fonction de la vitesse de remontée des sondes, mais aussi de la fréquence de répétition de l'émetteur. Actuellement, les mesures sont faites tous les centimètres (on peut aller au-delà ou en deçà sans difficultés), ce qui correspond à un déplacement du papier d'enregistrement de un millimètre et donne ainsi un tracé pratiquement continu. Nombre de tubes D'une manière générale, on utilise deux, trois ou quatre tubes. Deux tubes C'est la disposition la plus utilisée parce que la plus économique. Cela consiste à placer deux tubes diamétralement opposés. La distance intertubes peut être assurée par des raidisseurs placés tous les 3 ou 4 m environ et de forme telle qu'ils ne gênent pas le passage de la goulotte de bétonnage. Néanmoins, cette disposition assure le contrôle d'un petit volume de béton tel que le montre la figure 3. Ils présentent deux avantages : une grande rigidité, une excellente adhérence sur le béton, mais l'inconvénient d'être caractérisés par une vitesse de propagation élevée et donc susceptibles de favoriser les contournements d'obstacles. Les tubes plastiques sont en C P V et présentent l'avantage d'être d'un prix de revient plus bas et d'être caractérisés par une vitesse de propagation du son comprise entre celle de l'eau et celle du béton. Il y a ainsi peu de phénomène de contournement d'obstacles. Malheureusement, l'adhérence plastique-béton est mauvaise, et la surface latérale extérieure des tubes en CPV doit être enrobée d'un agent mouillant genre teepol. Dans un souci de simplification et d'harmonisation, les tubes les plus couramment utilisés sont des tubes métalliques type chauffage 50/60 mm de diamètre, filetés aux extrémités pour pouvoir être raboutés les uns aux autres et recevoir à leur extrémité inférieure un bouchon plastique fileté. Disposition des sondes dans les réservations L'auscultation doit être faite si possible en trois «passages» : le premier consiste à descendre dans deux réservations, l'émetteur et le récepteur restant dans un plan horizontal, le second et le troisième consistent à descendre l'émetteur et le récepteur décalés d'une hauteur à définir en fonction des caractéristiques de l'appareillage. Le décalage est fait d'une part comme le montre la figure 6, d'autre part en position inverse, c'est-à-dire avec l'émetteur décalé vers le bas par rapport au récepteur. Trois tubes Pour pallier cet inconvénient on place quelquefois trois tubes à 20. La fixation entre tubes est d'ailleurs de ce fait plus simple (fig. 4). Quatre tubes Si l'on veut contrôler le plus grand volume de béton possible sans négliger la partie centrale, ce qui est le cas dans la disposition précédente, on installe quatre tubes disposés en carré. Cette technique est certes la plus coûteuse, mais de loin la plus efficace (fig. 5). Emetteur Fig. 6 Récepteur Diamètre et forme des tubes Le diamètre des sondes est de 40 mm, ce qui leur permet de passer dans des tubes de 50 mm de diamètre intérieur. Nature des tubes Les tubes utilisés peuvent être métalliques ou plastiques. Les tubes métalliques sont du type chauffage. Cette technique permet de déceler facilement une discontinuité horizontale même très mince de l'ordre de quelques millimètres par exemple. En cas de détection d'anomalie, une auscultation plus poussée dite «en éventail», permet de mieux définir l'obstacle en position et en importance, donc en gravité, vis-à-vis des charges auxquelles sont soumises les fondations. 2

4 Dans cette technique, l'un des transducteurs reste fixe alors que l'autre se déplace sur une distance verticale fonction de l'importance du défaut (fig. 7). des tubes sur l'hélice de la cage et, d'autre part, de la cage d'armatures elle-même dans le forage en contrôlant particulièrement le levage de la cage avec la grue de chantier. EXPLOITATION Pour réaliser une exploitation rationnelle, il faut : une obturation étanche à l'extrémité inférieure de chaque tube (nécessité de les remplir d'eau au moment des essais et de maintenir un niveau constant pendant l'exécution de ceux-ci), une fixation suffisante des tubes pour conserver un écartement constant. Les mesures sont faites pratiquement en continu, et l'exploration est intégrale. Le temps nécessaire à la mesure est très court (quelques minutes par pieu). Il faut y ajouter le temps de mise en place de l'appareillage et les mesures supplémentaires qu'il est nécessaire de faire lorsque l'opérateur se trouve en présence d'anomalies. Fig. 7 Pour chaque groupe de deux tubes de réservation un graphe, temps de propagation du son en fonction de la profondeur de la mesure, est établi. L'exploitation est faite sur place et les déformations du graphe, interprétées comme anomalies, font l'objet d'un examen plus approfondi. Dispositif de fixation des tubes On demande essentiellement à ces dispositifs de conserver aux tubes un bon parallélisme et d'avoir un écartement suffisant pour laisser passer la goulotte et permettre un bétonnage normal. Il existe beaucoup de systèmes de fixation, nous en présentons (fig. 8) deux qui ont donné satisfaction. LIMITES DE LA METHODE Il n'est pas pour l'instant possible de déterminer la qualité du contact entre la pointe du pieu et le substratum. Cette méthode ne s'applique qu'aux pieux moulés en place de 60 cm de diamètre au moins. Il faut avoir prévu à l'avance la mise en place des tubes de réservation. Remarque : Si l'on admet deux réservations pour les pieux de diamètre voisin de 60 cm, il faut en envisager trois ou mieux quatre pour les pieux de diamètre supérieur. Qualité de la mesure Cas de deux tubes cylindriques. Fig. 8 Cas de trois tubes cylindriques. Ces deux dispositifs ne dispensent évidemment pas de fixer les tubes à la cage d'armatures. La solution la plus simple et la moins coûteuse est bien sûr la fixation des tubes sur cette cage sans écarteur. Ce procédé nécessite une mise en œuvre très soignée d'une part La mesure intrinsèque du temps est précise. Cependant, les variations du temps de propagation sont étroitement liées aux variations de l'écartement entre tubes. Il faut donc installer ces réservations avec un soin particulier. Néanmoins, ces modifications d'écartement des tubes sont facilement décelables au regard des graphes produits par l'enregistreur. En effet, si une variation brutale du temps ne peut être due qu'à une anomalie sur le parcours de l'onde, en revanche un accroissement ou une diminution lente du temps de propagation caractérise un déplacement des deux tubes l'un par rapport à l'autre. Remarque : L'existence des tubes de réservation peut inciter un maître d'œuvre à utiliser conjointement à l'auscultation sonique les mesures gammamétriques W. L a comparaison de ces deux méthodes permet de lever le doute sur la variation éventuelle de l'écartement entre tubes comme le montre le tableau I. 2. Gabilly Y., Contrôle des pieux et parois moulés par mesures gammamétriques, Bull, liaison Labo. P. et Ch., 58 (mars-avril 972), p

5 Taux de comptage (mesure gammamétrique) Temps de propagation (mesure sonique) TABLEAU I Ecartement des tubes diminue augmente Présence d'anomalies augmente augmente Comment définir la nature du défaut? La lecture des graphes fournis par l'enregistreur permet d'effectuer un premier tri entre les bons pieux et ceux qui présentent des hétérogénéités. Ce premier tri effectué, l'enregistrement des variations de temps se montre parfois insuffisant pour éclairer l'opérateur sur la nature d'un défaut. Aussi, pour pallier cette difficulté, une sortie oscilloscope a été prévue sur l'appareillage. La visualisation du signal ainsi obtenue sur l'oscilloscope permet de déceler, en plus des variations de temps, des variations d'amplitudes quelquefois concomitantes. C'est un élément supplémentaire d'appréciation encore peu utilisé, mais qui va l'être systématiquement dans nos prochaines campagnes de mesures. ENREGISTREMENTS Fig. 9! Tête de pieu Niveau Les figures 9 à 2 montrent un certain nombre d'enregistrements caractéristiques : l'enregistrement d'un pieu ne présente pas de défauts (fig. 0) ; : O Gl m J t le parcours de l'onde est perturbé par une hétérogénéité qui se traduit sur le graphe par une augmentation du temps de propagation. Connaissant la vitesse de remontée des transducteurs, il n'y a aucune difficulté à déterminer le niveau de cette anomalie. En revanche, l'importance du défaut ne peut être évaluée qu'en faisant une hypothèse sur sa nature (fig. 9) ; i i / Y / r \ / I c j. 3 i V \ s. S S " s - r \ / 2 m 3 m l'enregistrement est caractéristique d'une mauvaise liaison entre le fût et la tête du pieu après recépage (fig. H) ; l'exemple de la figure 2 met en évidence un mauvais fond de pieu. L'augmentation du temps de propagation que l'on constate peut provenir soit de la présence de bentonite en fond de trou, soit de l'effondrement du terrain (roche désagrégée, sable, etc.). Remarque : Si le pieu comprend au moins trois réservations, il est souvent possible d'injecter par l'un des tubes et de faire la mesure ensuite dans les deux autres pour vérifier la qualité de l'injection. On On s s f 78 (JS i i l 6,50 m 42 MS Fig. 0 - Le béton semble homogène et aucun défaut n'a été détecté. L'opérateur Inscrit sur le diagramme le temps de propagation lu sur le compteur (42 i«s). Une division = 0 /is. 23

6 / / A I } \ / r ig. " pieu présente une nauvaise liaison entre le f ût et la tête du pieu < après recépage. / f K s istance en tre tubes 6E crr f 56 us - 6,30 m 80 MS 362/JS Fig. 2 - Mauvais fond de pieu. CONCLUSIONS Contre les malfaçons, conséquences d'incidents de chantier ou de contrôles inexistants ou insuffisants, l'auscultation dynamique par réservation se présente comme une méthode rapide et relativement précise. Ces essais cependant sont limités par certaines conditions. Il faut en effet : prévoir la pose des tubes avant le coulage du béton, contrôler les pieux dont le diamètre n'est pas inférieur à 60 cm. Les mesures d'auscultation dynamique sont rapides et il est souhaitable que la mise en place des tubes dans les pieux soit une opération «programmée» à l'avance, et non pas «imposée» à la dernière minute afin d'éviter des perturbations du chantier toujours regrettables. Si la mesure et le dépouillement se font sans difficultés, l'interprétation se révèle plus délicate. En effet, comme on peut le constater dans les différents enregistrements, la seule connaissance du temps de propagation ne permet pas dans certains cas de déterminer la nature du défaut. C'est pourquoi on utilise, parallèlement à l'enregistreur, un oscilloscope qui visualise sur son écran le signal et permet ainsi de repérer les variations éventuelles d'amplitude. C'est un élément supplémentaire d'appréciation. Cependant il est essentiel de multiplier les essais de façon à classer tous les défauts rencontrés avec la forme du signal correspondant et de constituer ainsi un fichier qui servira de référence. 24