Brevet FR2762628A1 — publié le 19981030

L'invention a pour objet de proposer un procédé et un dispositif pour déterminer la capacité d'un sol déterminé à soutenir et maintenir un ouvrage déterminé construit et disposé dans celui-ci. La pérennité d'un ouvrage souterrain dépend essentiellement de deux facteurs qui sont d'une part la résistance mécanique de la structure de l'ouvrage et d'autre part la capacité du sol entourant l'ouvrage à soutenir et maintenir la structure de l'ouvrage en encaissant une partie des contraintes mécaniques auxquelles l'ouvrage est soumis. La demanderesse a en particulier pu noter qu'un soutien faible ou quasiment nul d'un terrain en certaines zones pouvait engendrer des concentrations d'efforts provoquant la rupture de la structure de l'ouvrage qui n'avait pas été initialement dimensionnée en prenant en compte ce facteur. Dans ces conditions, la demanderesse s'est attachée à développer un procédé et un dispositif permettant de connaître les caractéristiques mécaniques du sol environnant l'ouvrage et sa liaison avec l'ouvrage. La détermination de la résistance mécanique de la structure de l'ouvrage en ellemême (hors contribution du terrain environnant) pourra être obtenue par des méthodes qui ne font pas l'objet de la présente invention. Certes, différentes solutions ont déjà été proposées pour déterminer la capacité d'un sol déterminé à soutenir et maintenir un ouvrage déterminé, telles que la méthode de l'auscultation radar, la méthode microsismique, la mesure de micro-gravité, la mesure de résistivité, la thermographie infrarouge, la méthode par ultra-sons ou la méthode d'auscultation des canalisations par étude statistique des déformations mécaniques sous contrainte développée par la Société Anonyme de Gestion des Eaux de Paris et connue sous le terme "MAC". Toutefois, ces méthodes présentent des problèmes liés à la difficulté d'interprétation ou au manque de précision des résultats obtenus, à leur sensibilité vis-à-vis de phénomènes extérieurs, à l'aspect superficiel des résultats, à leur difficulté de mise en oeuvre ou à leur coût, voire à leur caractère destructif. L'invention vise à résoudre une partie au moins de ces différents problèmes et propose un procédé dans lequel: - dans une première étape de modélisation: a) on définit une relation entre: la capacité d'une gamme de sols renfermant une gamme d'ouvrages, à soutenir et maintenir lesdits ouvrages, et la réponse en amplitude de vibration, dans une gamme de fréquence donnée, de cette gamme d'ouvrages soumis à une sollicitation mécanique excitatrice, - dans une deuxième étape ultérieure: b)on soumet ledit ouvrage déterminé à une sollicitation mécanique excitatrice engendrant sa vibration dans ladite gamme de fréquences, c) on relève la réponse en amplitude de vibration de cet ouvrage déterminé en fonction de sa fréquence de vibration engendrée par la sollicitation mécanique, d) et on utilise la relation définie à l'étape a) pour en déduire la capacité du sol déterminé à soutenir l'ouvrage déterminé. Cette solution prend en compte l'état du sol environnant et l'état du contact entre l'ouvrage et le sol, ce qui permet d'obtenir un résultat très représentatif de la capacité du sol à contribuer à la résistance de l'ouvrage aux contraintes mécaniques. Elle est notamment parfaitement adaptée à la réhabilitation de collecteurs d'eau. Cette solution consiste à déterminer, sur un ouvrage donné, quantitativement ou qualitativement un paramètre (ici la capacité d'un sol à soutenir et maintenir ledit ouvrage) à partir d'une ou plusieurs données relevées (ici la réponse en amplitude des vibrations de l'ouvrage en fonction de sa fréquence). Cette méthode nécessite ici d'avoir déterminé préalablement, soit théoriquement, soit à partir d'ouvrages de référence une relation entre les données relevées et le paramètre. Une fois la relation établie, le paramètre peut être obtenu relativement rapidement et de manière fiable. L'amplitude de vibration ne sera pas nécessairement utilisée en tant que telle. Des données dérivant de cette amplitude telle que l'énergie de vibration pourront être utilisées tel qu'il est couramment pratiqué en traitement du signal. La sollicitation mécanique pourrait être appliquée sur un ensemble formé par l'ouvrage et le sol. On pourrait également relever la réponse en amplitude de vibration de cet ensemble et non la réponse de l'ouvrage seul. Afin de prendre en compte les éléments les plus caractéristiques de l'état de la liaison entre l'ouvrage et le sol dans la réponse dynamique de l'ouvrage aux sollicitations vibratoires, l'invention propose que: - lors de l'étape a) on définit comme relation celle entre la plus basse fréquence de résonance (c'est-à-dire celle pour laquelle l'amplitude de vibration présente un pic) de la gamme d'ouvrages et la capacité de la gamme de sols à soutenir la gamme d'ouvrages, - lors de l'étape d) on relève la plus basse fréquence de résonance de l'ouvrage déterminé et on détermine quantitativement la capacité du sol déterminé à soutenir l'ouvrage déterminé à partir de la relation définie à l'étape a). Selon une autre caractéristique de l'invention, pour définir la relation lors de l'étape a), on réalise les étapes suivantes: - on soumet successivement une gamme d'ouvrages dont on connaît par expérience la capacité du sol à soutenir l'ouvrage, à une sollicitation mécanique engendrant sa vibration dans la gamme de fréquences donnée, - on relève pour chacun des ouvrages de ladite gamme la réponse en amplitude de vibration en fonction de la fréquence de vibration telle qu'engendrée par la sollicitation mécanique. Cette gamme d'ouvrages compose ce que l'on a défini précédemment comme les ouvrages de référence. La détermination de la relation peut certes se révéler délicate et relativement longue à établir rapportée au nombre d'ouvrages de référence si l'on veut obtenir une relation très proche de la réalité. Toutefois, rapportés au nombre d'ouvrages sur lesquels le procédé de l'invention est à appliquer et les avantages qu'il procure, les problèmes liés à la détermination de la relation sont relativement minimes. Afin d'améliorer encore la simplicité et la fiabilité de la solution, l'invention propose qu'en outre, on détermine qualitativement la capacité du sol déterminé à soutenir l'ouvrage déterminé, en considérant cette capacité comme insuffisante tant que la première fréquence de résonance de l'ouvrage déterminé est inférieure à un seuil déterminé. En particulier, dans ce dernier cas, la gamme d'ouvrages servant à établir la relation pourra être réduite à un ouvrage et un sol servant de référence pour déterminer le seuil. L'interprétation des résultats repose sur l'analyse des modes propres de l'ouvrage déterminé. Cette analyse de l'ouvrage disposé dans le sol, fait apparaître la raideur (effort pour comprimer le sol d'une unité de longueur) et le coefficient d'amortissement de l'ouvrage, du sol et de l'interface ouvrage/sol. La raideur de l'ouvrage étant très grande devant les autres facteurs, les coefficients d'amortissement de l'interface ouvrage/sol et de l'ouvrage étant très faibles devant les autres facteurs, leur effet peut être négligé en première approximation. La courbe représentant l'amplitude de vibration en fonction de la fréquence vibratoire est maximale pour deux fréquences fonction l'une de la raideur de l'interface ouvrage/sol et, l'autre de la raideur du sol. La raideur de l'interface ouvrage/ sol étant inférieure à la raideur du sol, la fréquence de résonance correspondant à l'interface ouvrage/sol est inférieure à la fréquence de résonance correspondant au sol. En outre, plus l'interface ouvrage/sol est satisfaisante, plus les fréquences de résonances tendent vers une fréquence de résonance critique correspondant à la raideur équivalente formée par le système indissociable sol plus ouvrage. Par conséquent, meilleure est la cohésion entre l'ouvrage et le sol, plus la première fréquence de résonance (la plus basse) de l'ouvrage est élevée et proche de la deuxième. La cohésion entre l'ouvrage et le sol est également appelée collage. De plus, cette fréquence de résonance critique correspondant à l'amortissement maximal du système mécanique formé de l'ensemble ouvrage plus sol, on pourra également considérer que plus l'amplitude de vibration de l'ensemble est faible, meilleure est la capacité du sol à encaisser les contraintes mécaniques appliquées sur l'ouvrage. Une autre caractéristique de l'invention vise à améliorer la détermination dans le cas d'ouvrages présentant un axe d'allongement. Pour cela, on applique la sollicitation mécanique successivement en différentes zones disposées le long de l'axe d'allongement et à chaque fois on relève l'amplitude des vibrations engendrées sur l'ouvrage déterminé en différents points disposés dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe d'allongement et situé à proximité de la zone d'application de la sollicitation mécanique. L'invention vise également à proposer une solution fiable, demandant peu de moyens, facile à mettre en oeuvre et donnant des résultats aisés à interpréter. Pour cela: - lors de l'étape b) on soumet l'ouvrage déterminé à une sollicitation mécanique de fréquence donnée, - lors de l'étape c) on relève l'amplitude des vibrations engendrées sur l'ouvrage déterminé et la fréquence de vibration de l'ouvrage déterminé correspondant à la fréquence de la sollicitation mécanique, - on renouvelle plusieurs fois les étapes b) et c) en changeant la fréquence de sollicitation pour obtenir l'évolution de l'amplitude des vibrations de l'ouvrage déterminé en fonction de sa fréquence de vibration. Il est à noter que d'autres méthodes permettant de provoquer la vibration de l'ouvrage pourraient être utilisées. On pourrait par exemple appliquer une contrainte brève tel qu'un choc. On pourrait également appliquer une contrainte déformant très légèrement l'ouvrage, puis la supprimer en un temps très court. Un analyseur de fréquence fonctionnant notamment sur le principe de la transformation de Fourier pourrait alors être utilisé pour décomposer les caractéristiques vibratoires de l'ouvrage disposé dans le sol et donner la variation d'énergie vibratoire de l'ouvrage en fonction de la fréquence. Ceci permet notamment de déterminer les fréquences de résonance de l'ouvrage. L'invention vise en outre à obtenir une détermination satisfaisante de la capacité du sol à encaisser les efforts qui sont appliqués sur l'ouvrage sans créer de détérioration affectant l'ouvrage, le sol ou l'interface ouvrage/sol. Pour cela, lors de l'étape a), on détermine la fréquence qui engendre une détérioration mécanique de l'ouvrage déterminé et on soumet l'ouvrage déterminé à une sollicitation mécanique de fréquence inférieure à sa fréquence de détérioration. Ainsi, seules les fréquences les plus caractéristiques de l'état du terrain et de l'état du collage entre la structure et le terrain seront appliquées à l'ouvrage. En pratique, on soumettra l'ouvrage à des fréquences proches des fréquences propres du sol et/ou de l'interface ouvrage/sol. Le sol et l'interface ouvrage/sol ne seront pas soumis à des fréquences risquant d'engendrer des détériorations mécaniques, contrairement à ce qui se produit lorsque l'on provoque un choc, par exemple par collision, entre une masse et l'ouvrage. L'invention a en outre pour objet de proposer un dispositif répondant aux problèmes précités. Selon l'invention, ce dispositif comprend: - des moyens d'application sur un ouvrage déterminé d'une sollicitation mécanique apte à engendrer la vibration de l'ouvrage déterminé au moins dans une gamme de fréquences donnée, - des moyens pour relever la réponse en amplitude de vibration de l'ouvrage déterminé en fonction de sa fréquence de vibration, - des moyens de traitement du signal pour en déduire la capacité du sol déterminé à soutenir l'ouvrage déterminé à partir d'une relation entre la capacité d'un sol à soutenir un ouvrage et la réponse en amplitude de vibration de l'ouvrage en fonction de sa fréquence de vibration. L'invention va apparaître encore plus clairement dans la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente un dispositif conforme à l'invention en situation, - la figure 2 est une vue à échelle réduite selon le plan Il-Il de la figure 1, - la figure 3 est une vue à échelle agrandie d'une partie de la figure 2, - la figure 4 est un graphique illustrant l'évolution des amplitudes de vibrations relevées en fonction de la fréquence pour des sols présentant des capacités différentes d'encaissement de l'effort. Aux figures 1 et 2, on voit illustré un ouvrage 1 à tester, ici constitué par une conduite (un collecteur) de section ovale s'étendant suivant un axe d'allongement Id. Cette conduite 1 présente une surface extérieure la, une surface intérieure lb et un passage intérieur lc. Elle est disposée dans un terrain 4, ici le sol, venant au contact de la surface extérieure la de la conduite et supportant les efforts auxquels est soumise la conduite par l'intermédiaire d'une interface 2 dénommée zone de collage. Le terrain présente à certains endroits des vides 6 constitués par une absence de matière (ou de sol) susceptible de soutenir la conduite, ce qui entraine des concentrations de contraintes. Afin d'appliquer au moins à la conduite 1, voire à l'ensemble 5 comprenant la conduite et le terrain 4, une sollicitation mécanique susceptible d'engendrer sa vibration, un dispositif repéré dans son ensemble 9 est introduit dans le passage intérieur lc de la conduite 1. Ce dispositif 9 comprend un support 11 comportant deux flasques de centrage 10, 12 reliés par un arbre 14. Les flasques de centrage 10, 12 comprennent au moins trois pieds d'appui (ici quatre) 10a, 10b, 10c, 10d, venant au contact de la surface intérieure lb de la conduite à une de leurs extrémités et étant reliés entre eux par l'autre extrémité. Le positionnement des flasques 10, 12 en appui contre la surface intérieure lb de la conduite permet de positionner l'arbre 14 sensiblement coaxialement à la conduite suivant son axe id (figure 2). Tel qu'illustré plus particulièrement en figure 3, une masse d'excitation 16 reliée à l'arbre 14 par deux bras 18a, 18b est mobile en rotation autour de cet arbre 14 ; c'est-à-dire qu'elle peut pivoter sensiblement autour de l'axe id de la conduite 1 sous l'effet d'un moteur d'entraînement 17, tel qu'illustré par la flèche 20. Le moteur d'entraînement est fixé sur le support 11, ici sur l'arbre 14. Un pignon 29 entraîné en rotation par le moteur engrène avec une couronne 30 fixée au bras 18. La masse d'excitation est excentrée par rapport à l'arbre 14 et donc par rapport à l'axe ld de la conduite. Sa rotation engendre des vibrations que le support 11 transmet à la conduite 1 sur laquelle il est en appui. L'amplitude des vibrations de la conduite 1 est relevée par un appareil de mesure précis et rapide, ici un télémètre laser 22 à proximité des zones où le support 11 applique l'effort vibratoire à la conduite. Ce télémètre est fixé, par des moyens annexes (non représentés) afin qu'il ne soit pas soumis aux vibrations de l'ouvrage. Il est relié à un système 23 d'acquisition et de traitement comprenant un ordinateur capable de déterminer et de stocker l'amplitude et la fréquence de vibration. La vitesse de rotation de la masse excentrée engendrée par la vitesse de rotation du moteur 17 engendre la vibration de l'ouvrage, ici à une fréquence déterminée fixée par la vitesse de rotation du moteur. La fréquence de rotation de la masse est ici sensiblement égale à la fréquence de vibration de l'ouvrage. On relève pour chaque fréquence de vibration de l'ouvrage (ce qui correspond à une vitesse donnée de rotation du moteur) l'amplitude de vibration correspondante. Puis, on fait varier la vitesse de rotation du moteur et on enregistre un nouveau couple de données (amplitude et fréquence de vibration de l'ouvrage). En renouvelant l'opération autant que nécessaire, on obtient des courbes illustrant l'évolution de l'amplitude vibratoire - la réponse en amplitude - (A) de la conduite 1 en fonction de la fréquence vibratoire (f), tel que présenté à la figure 4. A cette figure, le graphique comprend trois courbes 32, 42, 52 schématisées de façons différentes. Chacune de ces courbes présente un pic d'amplitude (34, 44, 54 respectivement) pour une fréquence particulière (fi, f2, f3 respectivement) dénommée fréquence de résonance. Plus la fréquence de résonance est élevée, plus le terrain possède une capacité élevée d'absorption des contraintes mécaniques appliquées à la conduite, et notamment plus le "collage", c'est-à-dire l'adhésion par contact intime entre le terrain 4 et la conduite 1, est satisfaisant (en particulier moins il y a de trous 6 sans terrain). On peut en particulier considérer que la courbe 52 est caractéristique d'une capacité d'absorption idéale du terrain, tandis que la courbe 42 représente un seuil de capacité d'absorption considéré comme acceptable. Ainsi, tant que la fréquence de résonance relevée dans une zone de la conduite est comprise entre f2 et f3, la capacité d'absorption du terrain sera considérée comme suffisante dans cette zone. Ces courbes 42 et 52 ont été obtenues soit de manière théorique (modélisation numérique), soit de manière pratique tel que décrit précédemment sur des ouvrages dits de référence, c'est-à-dire des ouvrages disposés dans un sol dont on a pu déterminer la capacité à soutenir un ouvrage soit théoriquement, soit par l'expérience, par exemple par une méthode de contrôle destructif. A partir de cela, on construit un modèle reliant l'amplitude de vibration de l'ouvrage en fonction de la fréquence de vibration de l'ouvrage et la capacité des sols correspondants à encaisser des contraintes mécaniques. Ici, le modèle consiste à relier la première fréquence de résonance à la capacité d'absorption du terrain correspondant. Ce modèle a été construit préalablement à l'opération de détermination menée sur l'ouvrage à tester. La courbe 32 obtenue sur l'ouvrage 1 à tester présentant une fréquence de résonance fl inférieure à f2, la capacité d'absorption du terrain sera considérée dans la zone où sont effectués les relevés comme insuffisante. Un risque de détérioration de la conduite existe alors. Le télémètre 22 est en outre mobile en rotation autour de l'axe id de la conduite, tel qu'illustré par la flèche 24 à la figure 2, afin de relever l'amplitude des vibrations de la conduite en différents points situés dans une section sensiblement perpendiculaire à l'axe id de la conduite 1. Lorsque les relevés d'amplitude de vibration dans cette section ont été effectués, le dispositif est déplacé suivant la direction de l'axe id de la conduite pour occuper la position repérée 28 où de nouveaux relevés d'amplitude de vibrations de la conduite seront effectués. Il est ainsi possible d'effectuer relativement aisément et de manière fiable une étude sur l'ensemble de la conduite pour déterminer les capacités du terrain à absorber les contraintes appliquées sur la conduite. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée à la réalisation illustrée. Ainsi, on pourrait remplacer le télémètre laser par un accéléromètre disposé sur le support du dispositif ou mieux sur l'ouvrage. Les moyens engendrant la vibration de l'ouvrage pourraient par ailleurs comprendre une masse engendrant un choc sur l'ouvrage en appliquant une contrainte sur l'ouvrage, puis en l'annulant subitement. Ce choc solliciterait alors l'ouvrage dans une large bande de fréquences. Le système d'acquisition et de traitement du signal comporterait alors avantageusement un dispositif pour convertir les données de vibration relevées sur l'ouvrage et afficher directement l'évolution de l'amplitude ou de l'énergie vibratoire en fonction de la fréquence vibratoire. Au lieu d'utiliser la valeur de la première fréquence de résonance comme caractéristique de la capacité du sol à encaisser les contraintes mécaniques appliquées sur l'ouvrage, on pourrait par exemple prendre l'aire sous la courbe comprise entre deux fréquences centrées sur la fréquence de résonance. Revendications 1. Procédé pour déterminer la capacité d'un sol (4) déterminé à soutenir et maintenir un ouvrage (1) déterminé disposé dans le sol, dans lequel: - dans une première étape de modélisation: a) on définit une relation entre: e la capacité d'une gamme de sols renfermant une gamme d'ouvrages, à soutenir et maintenir lesdits ouvrages, et la réponse en amplitude de vibration, dans une gamme de fréquence donnée, de cette gamme d'ouvrages soumis à une sollicitation mécanique excitatrice, - dans une deuxième étape ultérieure: b)on soumet ledit ouvrage déterminé à une sollicitation mécanique excitatrice (10, 12, 14, 16, 17, i8a, 18b) engendrant sa vibration dans ladite gamme de fréquences, c) on relève la réponse en amplitude (A) de vibration de cet ouvrage déterminé en fonction de sa fréquence (f) de vibration engendrée par la sollicitation mécanique, d) et on utilise la relation définie à l'étape a) pour en déduire la capacité du sol déterminé à soutenir l'ouvrage déterminé. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que: - lors de l'étape a) on définit comme relation celle entre la plus basse fréquence de résonance (f2, f3) de la gamme d'ouvrages et la capacité de la gamme de sols à soutenir cette gamme d'ouvrages, - lors de l'étape d) on relève la plus basse fréquence de résonance (fl) de l'ouvrage déterminé et on détermine quantitativement la capacité du sol déterminé à soutenir l'ouvrage déterminé à partir de la relation définie à l'étape a). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on définit la relation à l'étape a) en réalisant les étapes suivantes: - on soumet successivement une gamme d'ouvrages dont on connaît par expérience la capacité du sol à le soutenir, à une sollicitation mécanique (10, 12, 14, 16, 17, 18a, 18b) engendrant sa vibration dans la gamme de fréquences donnée, - on relève pour chacun des ouvrages de ladite gamme la réponse en amplitude (A) de vibration en fonction de la fréquence (f) de vibration telle qu'engendrée par la sollicitation mécanique. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on détermine en outre qualitativement la capacité du sol déterminé à soutenir l'ouvrage déterminé, en considérant cette capacité comme insuffisante tant que la première fréquence de résonance de l'ouvrage déterminé est inférieure à un seuil déterminé. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ouvrage déterminé (1) présentant un axe d'allongement (nid), on applique la sollicitation mécanique successivement en différentes zones (28) disposées le long de l'axe d'allongement et à chaque fois on relève l'amplitude des vibrations engendrées sur l'ouvrage déterminé en différents points disposés dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe d'allongement et situé à proximité de la zone d'application de la sollicitation mécanique. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que: - lors de l'étape b) on soumet l'ouvrage déterminé à une sollicitation mécanique de fréquence donnée, - lors de l'étape c) on relève l'amplitude des vibrations engendrées sur l'ouvrage déterminé et la fréquence de vibration de l'ouvrage déterminé correspondant à la fréquence de la sollicitation mécanique, - on renouvelle plusieurs fois les étapes b) et c) en changeant la fréquence de sollicitation pour obtenir l'évolution de l'amplitude des vibrations de l'ouvrage déterminé en fonction de sa fréquence de vibration. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'ouvrage déterminé (1) présentant un passage intérieur (tic) s'étendant suivant un axe d'allongement (ld), on applique la sollicitation mécanique à l'ouvrage déterminé par l'intermédiaire d'une masse (16) excentrée par rapport à l'axe d'allongement (nid) que l'on entraîne en rotation par rapport à un support (11) disposé en appui contre l'ouvrage déterminé dans son passage intérieur. 8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que lors de l'étape a), on détermine la fréquence qui engendre une détérioration mécanique de l'ouvrage déterminé et on le soumet à une sollicitation mécanique de fréquence inférieure à sa fréquence de détérioration. 9. Dispositif pour déterminer la capacité d'un sol (4) déterminé à soutenir et maintenir un ouvrage (1) déterminé qui y est disposé, comprenant: - des moyens d'application (10, 12, 14, 16, 17, 18a, 18b) sur un ouvrage déterminé d'une sollicitation mécanique apte à engendrer sa vibration au moins dans une gamme de fréquences donnée, - des moyens (22) pour relever la réponse en amplitude de vibration de l'ouvrage déterminé en fonction de sa fréquence de vibration, - des moyens (23) de traitement du signal pour en déduire la capacité du sol déterminé à soutenir l'ouvrage déterminé à partir d'une relation entre la capacité d'un sol à soutenir un ouvrage et la réponse en amplitude de vibration de l'ouvrage (1) en fonction de sa fréquence de vibration. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens d'application (10, 12, 14, 16, 17, 18a, 18b) de la sollicitation mécanique comprennent: - un support (11) muni de pieds d'appui (10, 12) destinés à venir au contact de l'ouvrage déterminé et comportant un arbre (14), - une masse (16) mobile en rotation autour de l'arbre (14), laquelle masse est excentrée par rapport à l'arbre.