Brevet FR2334785A1 — publié le 19770708

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif pour la détection de défauts dans une structure notamment dans un corps de chaussée. Dans le cas de structures telles que des corps de chaussées routières, il est important de pouvoir détecter des défauts afin d'y porter rapidement remède avant qu'ils se traduisent en surface par d'importantes dégradations nécessitent des réparations d'une ampleur, d'une durée et d'un colt très élevés. L'essentiel du réseau des grandes routes nationales est constitué par des structures semi-rigides. Il s'agit de chaussées comportant des couches de fondation et de base traitées au laitier qui est un liant hydraulique. Ces couches sont surmontées de couches de liaison et de surface traitées au bitume Plusieurs types de défauts sont susceptibles d'exister dans de tels corps de chaussée sans etre visibles en-surface. Ces défauts sont constitués généralement par des discontinuités dues notamment des décollements des couches entre elles, a la présence d'une fissuration, å l'existence de cavités ou de corps étrangers, ou enfin la désagrégation localisée d'une couche traitée. De meme certains de ces défauts se retrouvent dans les chaussées de béton de ciment notamment au niveau des joints de retrait-flexion. Plusieurs procédés d'auscultation ont été proposés afin de détecter de tels défauts. Un premier procédé connu consiste å mesurer la déflexion statique de la structure lorsqu'elle est soumise å une charge roulante lourde. Pour ce faire, on utilise un appareil, ou déflectographe, qui permet une auscultation en continu et avec un rendement relativement élevé. Toutefois, cet appareil ne permet pas de déceler tous les processus de dégradation, et en particulier les décollements, car la charge roulante applique l'une contre l'autre les couches éventuellement décollées avant de faire la mesure proprement dite. Par ailleurs la mesure n'est pas faite intégralement en continu puisquten fait le pas de mesure est sensiblement de trois mètres. Un autre procédé connu consiste a appliquer une onde de choc a la structure et a déduire de l'observation et de la mesure de la réflexion, d'une part, les vitesses de propagation de l'onde dans chaque couche constituant la structure et, d'autre part, les épaisseurs de ces couches. Ceci est réalisé en exerçant une percussion sur une piece posée verticalement sur la structure et en mesurant les contraintes réfléchies le long de cette piece et les temps de parcours de l'onde de choc. Toutefois, lrexploitation des résultats de mesure est rendue très délicate du fait notamment que la pièce reposant sur la chaussée, par exemple hn cylindre métallique, constitue un milieu monodimensionnel alors que le corps de chaussée ne l'est pas.Par ailleurs, la percussion peut provoquer des dommages a la surface de la chaussée. Pour effectuer un même typ?de de mesure des caractéristiques mécaniques et géométriques de la structure par un essai non destructif, il est utilisé une masse légère vibrante dont on fait varier la fréquence des vibrations. Toutefois, la durée de chaque mesure est notablement plus longue comparée à celle utilisant une onde de choc. De plus, et surtout, ces procédés ne permettent d'effectuer que des mesures ponctuelles et excluent donc toute possibilité d'une auscultation continue à rendement élevé. Enfin, un autre procédé connu consiste å mesurer l'amplitude des déformations verticales de la structure lorsqu'elle est soumise à une masse vibrante lourde. Ce procédé connu permet d'effectuer une mesure de déflexions dynamiques avec une bonne précision et de déceler certains défauts, tels que des décollements, non détectés par une mesure de déflexions statiques. Toutefois, ce procédé connu est mis en oeuvre ponctuellement et ne permet donc pas non plus une auscultation en continu et à rendement très élevé. De plus, des variations de déflexions dynamiques mesurées ne traduisent pas forcément des variations de la rigidité dynamique globale d'un corps de chaussée, mais peuvent entre dues à un phénomène de résonance du système constitué par la masse vibrante et la structure. I1 est donc alors nécessaire d'effectuer un balayage de la fréquence des vibrations de la masse vibrante pour déterminer les fréquences de résonance et choisir ensuite une fréquence de travail permettant l'obtention de résultats significatifs. Un tel balayage en fréquence doit être effectué de préférence à chaque point de mesure et augmente considérablement la durée de chaque mesure. La présente invention a pour but de fournir un procédé permettant d'éviter les inconvénients précités des procédés connus, en particulier un procédé permettant une auscultation en continu et a un rendement très élevé et qui soit d'une mise en oeuvre simple et peu conteuse. Ce but est atteint par un procédé du t > pe selon lequel on engendre, au moyen d'une masse vibrante, des vibrations mécaniques à la surface de la structure et on fournit, au moyen d'au moins un capteur, une grandeur représentative de déformations verticales provoquées dans la structure par les vibrations auxquelles elle est soumise, et selon lequel, conformément à l'inventjon, on déplace en continu sur la surface de la structure la masse vibrante et le capteur en maintenant entre eux sensiblement la meme position relative et en engendrant des vibrations d'une fréquence déterminée. L'ensemble constitué par la masse vibrante et le capteur de déflexions dynamiques étant déplacé de façon continue, on peut effectuer une auscultation d'une chaussée avec un rendement très élevé, comparé à celui des procédés connus, mis en oeuvre ponctuellement, et détecter des discontinuités aussi bien horizontales (par exemple des décollements) que verticales (par exemple des fissures). Par ailleurs, le procédé conforme à l'invention peut être mis en oeuvre avec une fréquence des vibrations mécaniques prédéterminée fixe et n'est pas influencé par les phénomènes de résonance. En effet, avec le procédé connu selon lequel on exerce des vibrations mécaniques en un point fixe et on mesure les déflexions dynamiques de la structure, il est nécessaire, pour obtenir une mesure effectivement représentative des caractéristiques de la structure en ce point, que cette mesure ne soit pas faussée par des phénomènes de résonance. Par contre, avec le procédé conforme à. ltinvention, on obtient une grandeur représentative de la variation continue de la déflexion dynamique le long de la zone auscultée.On effectue donc une mesure qualitative, et non quantitative, et chaque discontinuité est détectée et se traduit par une variation brusque de l'amplitude de la déflexion mesurée quelle que soit cette amplitude donc que l'on se trouve ou non dans une zone de résonance. La présente invention a également pour objet de fournir un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé conforme à L'invention. Ce but est atteint par un dispositif comprenant une masse vibrante, un dispositif générateur de vibrations couplé à cette masse vibrante et au moins un capteur susceptible de fournir une grandeur représentative de déformations verticales de la structure, dispositif qui comporte; conformément à lrinvention, un châssis qui supporte ledit générateur de vibrations et qui est muni de moyens permettant de le déplacer sur la surface de la structure, et une pièce montée dans ledit chassies, couplée mécaniquement au générateur de vibrations et susceptible de rouler sur la surface de la structure lorsque que le châssis se déplace, ledit capteur étant mécaniquement relié audit châssis. Avantageusement, ladite pièce est la masse vibrante, l'ensemble de production des vibrations ayant une structure analogue à celle d'un compacteur vibrant. On pourra utiliser un ou plusieurs capteurs des déformations verti- cales de la structure qui sont, de préférence, des capteurs de type sismique tels que des géophones ou des accéléromètres. Ces capteurs peuvent étre associés au châssis dans lequel est montée la masse vibrante et roulante, mais, dans ce cas, a; détriment du rapport signal sur bruit. Aussi de préférence, ces capteurs sont montés sur un chariot qui comporte des roues munies de bandages souples et qui est relié audit chassis par une liaison mécanique comportant des moyens d'amortissement et/ou de filtrage des vibrations dudit châssis. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description d'un mode particulier de sa réalisation, description fait ci-apres, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux figures du dessin joint qui illustre - figure 1 : une vue schématique en élévation latérale d'un dis positif, conforme à 11 invention - figure 2 : une vue en élévation et en coupe suivant la ligne Il-Il de la figure 1 - figure 3 : une représentation analogique schématique du système mécanique constitué par le chariot du dispositif représenté aux figures 1 et 2 ; - figures 4 et 5 : deux représentations analogiques schématiques du système mécanique constitué par une masse vibrante et la structure à ausculter - figure 6 '. une courbe représentative de la réponse du système mécanique constitué par le chariot du dispositif représenté aux figures 1 et 2 aux déflexions de la structure auscultée, en fonction de la fréquence des vibrations - figure 7 : une vue schématique d'un circuit de traitement des signaux des capteurs du dispositif représenté aux figures 1 et 2 . et - figures 8 à ll : divers signaux fournis par le circuit de traitement de la figure 7 et représentatifs de défauts dans une structure auscultée dans le cas des figures 9 à 11. -Tel que représenté aux figures 1 et 2, le dispositif conforme à l'invention comporte un ensemble roulant 10 de production de vibrations mécaniques et de transmission de ces vibrations 9 un corps de chaussée 30, et un ensemble roulant 20 de détection des déformations verticales de la chaussée 30 soumise à ces vibrations. Dans l'exemple illustré, ensemble 10 a une structure analogue à celle d'un compacteur vibrant et comporte un chassies ll dans lequel est montée, libre en rotation, une masse vibrante 12, en forme de cylindre ou rouleau. Un ou plusieurs excentriques 13 sont entrainés en rotation, autour autour d'un axe de rotation confondu avec celui de la masse vibrante 12, au moyen d'un moteur 14 et par l'intermédiaire d'une courroie 15. Le moteur 14 est > par exemple, un moteur à explosion dont la vitesse de rotation est réglable afin d'ajuster la fréquence des vibrations de la masse vibrante 12. Le chassis il est prolongé à sa partie avant par un bras lla à l'extrémité duquel est fixé un crochet d'attelage 16 permettant le remorquage de ltensemble 10 par un véhicule tracteur (non représenté). Une roulette 17 peut être prévue a l'extrémité avant du bras lla. On notera, par ailleurs, que pour éviter des décollages et des rebondissements de la masse vibrante 12 roulant sur la chaussée 30, on pourra munir l'ensemble roulant 10 de masses additionnelles fixées au châssis 11 afin de maintenir la masse vibrante 12 en contact permanent avec la surface de la chaussée. L'ensemble de détection 20 comporte un chariot 21 constitué par un plateau 22 et des roues indépendantes 23, 24. Les roues avant 23 du chariot sont des roues non orientables, d'axes de rotation confondus, et montées dans des chapes 25. Sur les chapes 25 sont -fixés des capteurs 26 susceptibles de fournir un signal représentatif des déformations verticales de la chaussée 30 soumise au roulement de la masse vibrante 12. Ces capteurs 26 sont, de préférence, des capteurs de type sismique, par exemple des géophones ou des accéléromètres. Dans l'exemple illustré, on a prévu deux capteurs 26 associés chacun à une roue 23 mais, bien entendu, le nombre de capteurs associés à chaque roue, ou d'ensembles constitués par une roue et un capteur associé pourrait être différent. On notera que les capteurs 26 sont alignés suivant une droite sensiblement parallèle à l'axe de rotation des roues 23. Le chariot 21 est relié mécaniquement au chassies Il de l'ensemble roulant 10 et est remorqué par ce dernier. La roue 24 à l'arrière du plateau 22, est de préférence montée pivotante de manière à assurer un rtle de stabilisation et de guidage lors du roulement de l'ensemble du dispositif. Il est souhaitable d'éliminer les vibrations parasites pouvant être communiquées au chariot 21, même si un filtrage des signaux transmis par les capteurs 26 permet ultérieurement cette élimination, afin d'améliorer le rapport signal sur bruit de ces signaux. Dans ce but, les roues 23, 24 du chariot 21 sont munies de bandages souples, respectivement 23a, 24a, afin d'amortir les vibrations parasites dues à des défauts d!uni de la chaussée 30 ou à la rencontre d'obstacles sur cette chaussée. On notera à ce propos que la présence de gravillons s'avère peu gênante dans la mesure où ces derniers sont écrasés lors du passage de la masse vibrante 12. Pour amortir et/ou filtrer les vibrations parasites transmises au chariot 21 par le châssis 11, on relie ces derniers par une liaison mécanique non rigide mais permettant de maintenir entre l'axe de la masse vibrante 12 et les capteurs 26 une distance sensiblement constante. Cette liaison est réalisée, par exemple, au moyen de lames souples 27, ou lames d'inertie, ayant chacune une extrémité 27a fixée au chassies Il et l'autre extrémité 27b sur un bloc déformable 28 fixé au plateau 22. Ces blocs déformables 28 sont, par exemple, des pièces en caoutchouc. Sur le plateau 22 est disposée une masse suspendue 29 réglable, le chariot constituant un système mécanique dont une représentation schématique analogique est donnée figure 3. k et c désignent respectivement la rigidité et l'amortissement de la suspension reliant le plateau 22 et la masse 29 et k' et c' la rigidité et l'amortissement de la liaison, constituée par les roues à bandages souples, entre le plateau 22 et la chaussée 30. Le fonctionnement du dispositif ci-avant décrit est le suivant. Lorsque la masse vibrante 12 roule sur la chaussée 30, la surface de cette dernière subit des déformations dynamiques verticales. Les capteurs 26, constamment situés à proximité de la masse vibrante 12, fournissent m signal représentatif de l'amplitude de ces déformations. Lorsqu'un défaut, ou discontinuité, est rencontré dans le corps de chaussée, 11amplitude de ces déformations verticales augmente très sensiblement. Ceci peut s'expliquer par le fait, qu'au niveau de la discontinuité, peu ou pas d'énergie est transmise au delà de cette discontinuité et lténergie reste donc concentrée au voisinage de la masse vibrante. L'ensemble constitué par la masse vibrante 12, la masse associée 18 du reste de l'ensemble roulant 10 et la chaussée 30, forme un système mécanique dont une représentation analogique schématique est donnée aux figures 4 et 5. Dans le cas de la figure 4,- on suppose qu'il n'y a pas de discontinuités dans le corps de chaussée 30. Les déformations verticales de la surface de la chaussée 30 sont dépendantes, en particulier, de la rigidité globale K de la structure, rigidité globale qui, du fait de l'absence de discontinuités, n'est susceptible d'aucune variation brusque. L'amplitude des déformations verticales de la surface de la chaussée 30 reste donc sensiblement constante. Dans le cas de la figure 5, on suppose qu'il y a une discontinuité 31 caractérisée par une rigidité K1 inférieure à K puisqu'elle peut être à la limite nulle (décollement ou fissure). Le système mécanique est alors à deux degrés de liberté et l'amplitude des déformations verticales de la surface de la chaussée 30 est alors dépendante de la rigidité Kl. On retrouve donc, dans le cas de la présence d'une discontinuité, un schéma analogique du système masse vibrante-corps de chaussée semblable à celui de ensemble de détection 20. Le choix de la fréquence des vibrations mécaniques à transmettre à la chaussée 30 dépend des caractéristiques mécaniques de la chaussée ainsi que de la profondeur à ausculter. On admet que la profondeur d'auscultation est égale à la demilongueur d'onde de l'onde de surface, ou onde de Rayleigh. Dans le cas de structures routières, la vitesse de propagation de l'onde de surface est, pour les basses fréquences, sensiblement constante et égale environ à 300 m/s. Pour une fréquence de 60 Hz, la longueur d'onde est alors égale à 5 m et la profondeur d'auscultation théorique est de 2,5 m. Toutefois, une discontinuité sera mieux décelable si elle est plus proche de la surface, aussi on peut considérer qul une fréquence de 60 Hz, la zone utile d'aus- cultation se situe à une profondeur comprise entre O et 1 m. Pour augmenter la profondeur utile d'auscultation, et la porter par exemple à 2 m, il faut alors utiliser une fréquence de vibrations égale à 30 Hz.Dans la pratique et pour des chaussées routières semi-rigides, on utilisera une fréquence de travail comprise entre environ 30 et 80 Hz en fonction de la profondeur d'auscultation désirée. Une fois la fréquence de travail choisie, il est souhaitable de régler la réponse dynamique de l'ensemble de détection 20 de manière que le rapport r, entre l'amplitude des déplacements verticaux du plateau 22 et l'amplitude des déformations verticales de la surface de la chaussée, soit sensiblement constant dans la zone de la fréquence de travail choisie. La courbe C de la figure 6 représente les variations du rapport r en fonction de la fréquence f des vibrations, courbe obtenue expérimentalement. On notera que l'étude théorique du modèle analogique de la figure 5 confirme ces résultats expérimentaux. Dans l'exemple illustré par la figure 6, le système de détection 20 est réglé pour fonctionner à une fréquence de travail f T de 60 Hz pour laquelle le rapport r est égal environ à l'unité et est sensiblement constant dans cette zone de fréquence. Si l'on choisit une fréquence de travail différente de 60 Hz, on modifiera alors la masse vibrante suspendue 29, ce qui se traduit par une "translation" de la courbe C parallèlement à l'axe des abscisses, de manière que la nouvelle fréquence de travail choisie se situe dans une zone de réponse sensiblement plate et proche de l'unité. En fonctionnement, le dispositif conforme à l'invention est déplacé sur la chaussée 30 à une vitesse sensiblement constante de quelques km/h > par exemple égale à 5 km/h, les capteurs 26 restant à une distance sensiblement constante de l'axe de la masse vibrante 12, distance par exemple de l'ordre de quelques dizaines de cm. Les éventuels défauts d'uni de la surface de la chaussée se traduisent par des vibrations parasites de très basse fréquence, de ltordre du Hz, du fait de la faible vitesse de déplacement. Ces vibrations parasites peuvent donc être aisément filtrées en aval des capteurs 26 si elles ne le sont déjà au niveau des capteurs mêmes qui, dans le cas d'accéléromètres, fournissent un signal de sortie fonction du carré de la fréquence. La figure 7 illustre un mode de réalisation d'une chaine de traitement 40 des signaux fournis par les capteurs 26. Les signaux de sortie des capteurs 26 sont additionnés par un circuit 41 dont la sortie est reliée à l'entrée d'un filtre passe-bande 42. Les signaux filtrés sont amplifiés par un amplificateur 43. Un dispositif analogique 44, par exemple un voltmètre à sortie analogique, ayant son entrée reliée à la sortie de l'amplificateur 43, délivre une tension continue proportionnelle à l'amplitude du signal qutil reçoit. Cette tension continue peut être visualisée sur un oscilloscope à mémoire 45 et enregistrée au moyen d'un appareil d'enregistrement 46. La channe 40 est installée sur le véhicule tracteur et reliée par câbles souples aux capteurs.Les figures 8 à 11 représentent le signal enregistré lors d'une auscultation d'une zone de chaussée d'une longueur de 100 m avec une fréquence de travail de 60 Hz et au moyen d'un dispositif tel que ci-avant décrit. Le signal 32 de la figure 8 ne. traduit aucun défaut. On remarque que l'amplitude des déformations verticales mesurées varie très légèrement mais de façon continue, ce qui peut s'expliquer par une légère variation de la rigidité globale de la structure. Le signal 33 de la figure 9 traduit un décoIlement (discontinuité horizontale) qui se manifeste par une augmentation sensible et durable de l'amplitude des déformations verticales. Le signal 34 de la figure 10 traduit la présence d'une fissure fermée, c'est-à-dire d'une fissure interne ne s'étendant pas sur toute la profondeur d'auscultation. La mesure étant effectuée en continu, on détecte une augmentation sensible des déformations verticales au bord de la fissure > d'où la présence des pics 34' et 34" du signal 34 obtenus lorsque la masse vibrante et les capteurs sont du même c8té et proches de la fissure. Lorsque la masse vibrante et les capteurs sont épart et d'autre de la fissure, les capteurs ne perçoivent plus que les déformations transmises par la fissure, d'où une décroissance du signal entre les pics. Le signal 35 de la figure Il traduit la présence d'une fissure ouverte. Il n'y a aucun transfert d'énergie par la fissure et, lorsque les capteurs et la masse vibrante se trouvent de part et d'autre de cette dernière, l'amplitude du signal décroît jusqu'à zéro entre les pics 35' et 35". Bien entendu, d'autres types de discontinultés, par exemple la présence de cavités sont également décelables car elles se traduisent par une altération notable du signal de mesure. Le dispositif, conforme à l'invention, est extrêmement avantageux du fait qu'il permet une auscultation en continu et avec un rendement très élevé tout en étant peu coûteux et d'une mise en oeuvre très facile. Ce dispositif permet d'ausculter plusieurs dizaines de kilomètres de chaussée quotidiennement. Il ne nécessite aucun réglage particulier, meme dans le cas de changement de nature de la chaussée en cours d'auscultation, ce changement de nature se traduisant tout au plus par une variation de l'amplitude moyenne des déformations mesurées. Le dispositif conforme à l'invention s' avère particulièrement bien adapté pour la surveillance à intervalles réguliers d'un kilométrage élevé de chaussées, en particulier les chaussées de type semi-rigide soumises à un trafic important > en vue de détecter d'éventuels défauts et, si ces défauts ne justifient pas une intervention immédiate, de suivre leur évolution. Ce dispositif fomrnit une indication qualitative de l'état du corps de chaussée dont l'auscultation peut, le cas échéant, être ultérieurement complétée localement par des mesures quantitatives de ses caractéristiques mécaniques et géométriques en fonction des résultats fournis par l'auscultation en continu. REVENDICATIONS ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 1. Procédé pour la détection de défauts dans une structure, notamment dans un corps de chaussée routière1 procédé selon lequel on engendre, au moyen d'une masse vibrante, des vibrations mécaniques à la surface de la structure et on fournit, au moyen d'au moins un capteur, une grandeur représentative de déformations verticales provoquées dans la structure par les vibrations auxquelles elle est soumise, caractérisé en ce qu'on déplace en continu sur la surface de la structure la masse vibrante et le capteur en maintenant entre eux sensiblement la méme position relative et en engendrant des vibrations d'une fréquence déterminée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on déplace la masse vibrante en la maintenant constamment en contact avec la surface de la structure. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, lors du déplacement de la masse vibrante, on engendre des vibrations mécaniques d'une fréquence constante comprise de préférence entre 30 et 80 Hz. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en cequ'on fournit, à partir de la grandeur délivrée par ledit capteur, un signal électrique continu représentatif des variations d'amplitude desdites déformations le long d'une zone explorée par le déplacement de la masse vibrante. 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, comportant une masse vibrante, un dispositif générateur de vibrations couplé à cette masse vibrante et au moins un capteur susceptible de fournir une grandeur représentative de déformations verticales de la structure, caractérisé en ce qu'il comporte un chassies qui supporte ledit générateur de vibrations et qui est muni de moyens permettant de le déplacer sur la surface de la structure, et une pièce montée dans ledit chassis, couplée mécaniquement au générateur de vibrations et susceptible de rouler sur la surface de la structure lorsque le chassis se déplace, ledit capteur étant mécaniquement relié audit chassies. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite pièce est la masse vibrante et en ce que le dispositif générateur de vibrations comporte au moins un excentrique monté sur l'axe de rotation de la masse vibrante et des moyens d'entratnement en rotation de cet excentrique. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un capteur de déformations de la structure monté sur un chariot qui comporte des roues munies de bandages souples et qui est relié audit chassis par une liaison mécanique comportant des moyens d'amortissement et/ou de filtrage des vibrations dudit châssis. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qutil comporte au moins un capteur de type sismique. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce quril comporte plusieurs capteurs associés chacun à une roue dudit chariot et alignés suivant une droite qui est sensiblement parallèle à l'axe de rotation de ladite pièce et qui est à une distance sensiblement constante de cet axe. 10. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu r une masse suspendue réglable est montée sur ledit chariot.