EP4602217A1 - Procédé de stabilisation des structures - Google Patents

Procédé de stabilisation des structures

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Publication number
EP4602217A1
EP4602217A1 EP22800332.3A EP22800332A EP4602217A1 EP 4602217 A1 EP4602217 A1 EP 4602217A1 EP 22800332 A EP22800332 A EP 22800332A EP 4602217 A1 EP4602217 A1 EP 4602217A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
acoustic
injection
soil
ground
emissions
Prior art date
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Pending
Application number
EP22800332.3A
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German (de)
English (en)
Inventor
Paolo SIANO
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Individual
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Publication date
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Publication of EP4602217A1 publication Critical patent/EP4602217A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D35/00—Straightening, lifting, or lowering of foundation structures or of constructions erected on foundations
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D3/00—Improving or preserving soil or rock, e.g. preserving permafrost soil
    • E02D3/12—Consolidating by placing solidifying or pore-filling substances in the soil
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D37/00—Repair of damaged foundations or foundation structures

Definitions

  • the present invention relates to a method aimed at stabilizing structures, in particular foundations, and which provides for monitoring carried out by means of a survey and a parametric analysis of the acoustic emissions generated in the material of the constituent elements of the structure during the construction site operations.
  • These are consolidation interventions by injection of cement or synthetic mixtures with expansive power into the foundation soil and/or by the installation of piles in the ground up to more compact layers of soil and which are by subsequently anchored to the existing foundation structure.
  • an elementary volume of soil can be schematized as a porous medium consisting of soil grains (solid skeleton) and voids.
  • small diameter piles also called micropiles
  • the latter are generally metallic and composed of several interconnected elements which are screwed or driven into the ground to the deepest state of support.
  • the strong expansion power is capable of generating mechanical action on the soil (consolidation) due to the increase in grain density, filling/crushing of voids and displacement of pore water.
  • the proposed monitoring makes it possible to
  • Patents EP1914350 and EP2543769 provide for geophysical monitoring of the treated soil during injection through the acquisition and development of 3D electrical resistivity tomographies. The assessment of mechanical improvement is carried out using penetrometric tests.
  • time-lapse monitoring Between one operation of acquisition, inversion and processing of an electrical resistivity tomography and the next, there is a certain period of time (time-lapse monitoring), during which the site operators do not have any instrumentation to carry out the correct dosage of formulation quantities and to verify in real time their effect on above-ground structures. This fact increases the risk of undesirable and unmanageable effects occurring when the resin has already been injected and is in the expansion phase.
  • the resin in the expansion phase generates noises induced by friction with the ground as well as by the effects of friction and compaction of the grains, the filling of the voids and the movement of pore water (if present).
  • These noises are audible on the surface via high-sensitivity geophones located on the injection verticals close to the volume of soil impacted by the treatment and the injection point.
  • a control unit connected to the geophones a series of acoustic parameters can be associated with the noise generated by the consolidation action, such as extension, smart indicator, frequency spectra.
  • This process therefore makes it possible to localize the expansion action in the environment of the measurement vertical and, in addition, to control the injection cycles with the execution of pauses between successive cycles relating to the same injection point in which the following cycle is resumed when said acoustic detection means no longer detect noise (the end of the expansion of the formulation will correspond to that of the noise detection).
  • the lessons described by 102019000019789 can reduce the risk of the occurrence of untimely uplifts of above-ground structures (of the artifact itself or its ancillary elements) even before they occur, thanks to the possibility of stopping the treatment when the characteristic acoustic parameters show volume saturation around the generic injection point.
  • the aim of the present invention is to propose an alternative monitoring method at the laser level when carrying out injections of cement or synthetic mixture, as well as during the installation of piles. This is to guarantee the level of security that these operations require.
  • the aim of the present invention is to overcome the disadvantages highlighted above by providing a process for stabilizing structures and consolidating soils which drastically reduces the risk of structural damage which can potentially occur during injections (uplifts, cracking, etc.). .).
  • Ring-Down Counting consists of counting how many times the signal exceeds the threshold value
  • Event counting analyzes a single event by taking into account all the oscillations caused by a given microcrack.
  • the first crossing that exceeds the threshold value is the one that advances the count.
  • A The increasing trend in the cumulative number of EA events (B) is symptomatic of an ongoing irreversible cracking phenomenon.
  • the reduction in frequencies (C) and the increase in amplitudes (D) also confirm the progressive nature of the pathology.
  • the present invention provides monitoring, by means of acoustic emission technology, of structures covering ground subject to consolidation with injections of cement or synthetic mixtures, including expansive resins, and/or with the installation of deep stakes.
  • the structure Before undergoing an uplift itself and detectable by a conventional laser or a radar instrument (i.e. greater than 1/10 mm), the structure goes through a phase where it begins to be stressed with microscopic movements, so small that they cannot be detected by a conventional laser or radar instrument (less than 1/10 mm).
  • the "stress" induced on the structure by the expansion of the resin in the ground generates acoustic emissions which propagate in the material of the structure itself.
  • uplift EA detects ultrasonic pulses, laser or radar a length
  • knowing that sound pulses propagate through the structure is like saying that the The current injection cycle is about to exhaust the ground consolidation actions and is beginning to produce the first thrust effects on the overlying structure.
  • This information allows site operators to interrupt the current injection cycle for a given injection point, permanently or temporarily.
  • the treatment can be resumed by more carefully measuring the quantities of the cycles of injections (temporary interruption).
  • the invention in question also proposes to use the same monitoring approach with the EA for the execution of consolidation interventions using piles.
  • the piles are driven in portions until the desired layer is reached and/or the desired point load (L) is reached. If the structure allows it, a controlled lifting of the structure (M) can be carried out.
  • the pile is bolted to the foundation, the excess part of the pile is cut off and the excavation is backfilled.
  • site operators can record precursor signals of the crossing of an overconsolidated layer, the interception of a rock or the approach of the compact layer, even before a real uplift detectable by a laser level does not occur.
  • Monitoring the parameters recorded by the transducers will make it possible to guide site operations, which may be temporarily interrupted at the moment when the driving of the pile corresponds to an increase in the number of acoustic emissions associated with stability or a reduction in the number of acoustic events in the unit of time, as well as stability of the amplitudes and frequencies of the event.
  • pile driving operations can be resumed. with increased caution and with appropriate measures to facilitate driving: use the reduced and strictly necessary value of thrust and forward speed, drive two or more piles placed in the immediate vicinity.
  • the sinking operations only continue if the noise emissions are not significant.
  • the driving of the pile will be stopped definitively if, at the time of resumption of driving and despite the measures taken, there are indications of potential damage in progress, that is to say when there is a increase in the number of acoustic events in the unit of time, an increase in the amplitude of the event and a decrease in frequencies.
  • EA is implemented with CPUs capable of filtering the signals acquired by the transducers after setting an appropriate threshold value. This setting makes it possible to exclude the background "noise” linked to the environmental context in which we operate and to consider as significant for monitoring only those AE signals which exceed the pre-established threshold value.
  • the initial threshold value is also set depending on the type of structure and the desired degree of monitoring sensitivity. Its value can then be calibrated during construction based on the response of the structure itself to injections. In this way, by proceeding by construction site areas homogeneous in structural and geological-geotechnical terms, site operators will be able to calibrate on an observational basis the minimum quantities capable of starting to transfer the "mechanical stress" from the ground to the structure in the case injections, as well as critical depths and limit thrusts in the case of piles.
  • any damage induced by uplift will mainly be found near the intervention zone on the ground.
  • structures with greater rigidity e.g. frame structures with reinforced concrete beams and pillars
  • damage will not necessarily occur close to the treated areas. This is due to the fact that elements with greater rigidity (beams, pillars, joists, etc.) can transfer the state of tension and deformation to portions of the structure further away from the intervention zone, rigidly and without being damaged.

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Abstract

Stabilisation des structures par des travaux géotechniques qui consistent à traiter le sol par injection de mélanges consolidants et/ou par installation de pieux afin de consolider les fondations. La procédure implique l'exécution d'un suivi en temps réel à l'aide de la technologie d'émission acoustique (AE) capable de détecter les contraintes induites par les travaux géotechniques susmentionnés sur les structures.

Description

    PROCÉDÉ DE STABILISATION DES STRUCTURES
  • La présente invention concerne un procédé visant la stabilisation des structures, notamment de fondation, et qui prévoit une surveillance réalisée par le biais d’un relevé et d’une analyse paramétrique des émissions acoustiques générées dans la matière des éléments constitutifs de la structure pendant les opérations de chantier. Il s’agit d’interventions de consolidation par injection de ciment ou de mélanges synthétiques à pouvoir expansif dans le sol de fondation et/ou par l'installation de pieux dans le sol jusqu'à des couches de sol plus compactes et qui sont par la suite ancrées à la structure de fondation existante.
  • Comme il est bien connu dans le domaine de la mécanique des sols, un volume élémentaire de sol peut être schématisé comme un milieu poreux constitué de grains de sol (squelette solide) et de vides. Ces derniers peuvent être pas du tout, partiellement ou totalement occupés par l'eau interstitielle : dans le premier cas on parle de " sol sec " (degré de saturation S = 0), dans le second cas de " sol partiellement saturé " (0 < S < 1), et lorsque tous les vides sont occupés par l'eau, de " sol saturé " (S = 1).
  • Lorsque ledit volume élémentaire est soumis à l'application d'une charge externe, en fonction de sa perméabilité intrinsèque, dans sa masse se génère un état de tension auquel correspond un état de déformation.
  • Lorsque ces observations sont transférées de la micro-échelle (volume élémentaire) à la macro-échelle (volume naturel), il devient évident comment une masse de sol naturel - imaginée comme une multitude de volumes élémentaires - lorsqu'elle est soumise à des actions extérieures (application de charges, variations du degré de saturation, etc.) peut se déformer en faisant varier son volume initial avec une variation correspondante de l'indice de vide et/ou du degré de saturation.
  • Dans le domaine du génie civil, ces aspects géologiques-géotechniques sont de première importance non seulement dans la conception, mais aussi dans la phase opérationnelle des structures de fondation de tout artefact (bâtiment, chaussée, etc.). Dans le processus de transfert des charges de la structure au sol, il faut assurer l'équilibre du nœud sol-fondation auquel est lié la stabilité de la superstructure.
  • Toute altération du sol de fondation d'une structure existante peut être la cause potentielle de son affaissement. Ces affaissements peuvent compromettre les conditions d'équilibre de la superstructure, entraînant l'apparition de déformations et de fissures sur les éléments structurels et non structurels.
  • Pour rétablir les conditions de stabilité, il est primordial d'analyser d'abord la pathologie, d'effectuer ensuite les éventuels diagnostics structurels et/ou géologiques-géotechniques, d'envisager les différentes solutions applicables parmi celles possibles, de choisir et de concevoir celle qui est jugée la plus appropriée.
  • Parmi les différentes solutions "traditionnelles", telles qu'elles sont utilisées depuis plusieurs décennies, il y a sans aucun doute celle qui consiste à transférer les charges de la structure à des couches de sol plus compacte, par le biais de pieux de fondation plus profonds, alignés longitudinalement à la fondation existante et avec un espacement convenablement défini.
  • En aval de l'intervention, les couches de sol compressibles sont contournées et n'auront aucune fonction porteuse.
  • Pour réduire le niveau d’invasivité de l'intervention, notamment sur les structures existantes, l'installation de pieux de petit diamètre (également appelés micropieux) est de plus en plus courante. Ces derniers sont généralement métalliques et composés de plusieurs éléments interconnectés qui sont vissés ou enfoncés dans le sol jusqu'à l'état d'appui le plus profond. Une fois la capacité de charge désirée atteinte, ou lorsque la structure a été soulevée à l'aide d'un niveau laser, les opérations sont arrêtées et la tête du micropieu est reliée à la structure, ce qui se fait dans ce cas au moyen de plaques boulonnées à la fondation.
  • La (vue en coupe d'un système de fondation générique pendant les phases opérationnelles) schématise une intervention typique d'installation de micropieux. Après l'exécution d'une excavation (A) qui met à nu la fondation existante (B), le procédé prévoit l’enchainement des phases suivantes :
    1. Fixation de la plaque d'acier équipée d’une bague (C) à la fondation par boulonnage (D) ;
    2. Installation du vérin hydraulique (E) sur la plaque par le biais d’un gabarit métallique de fonçage (F) et installation du circuit hydraulique (G) relié à un groupe électrogène ;
    3. Insertion du pieu (H) dans à travers le gabarit métallique et enfoncement du pieu par portions jusqu'à ce que la couche souhaitée (I) soit atteinte et/ou que la charge ponctuelle souhaitée (J) soit atteinte et/ou que la structure réagisse au soulèvement (K) ;
    4. Blocage du pieu à la fondation par boulonnage (L), coupe de la portion de pieu excédante (M) et remblayage de l'excavation (N).
  • Ces solutions de réparation traditionnelles se caractérisent par une durée de moyenne à longue, ainsi que par un niveau élevé d'invasivité.
  • En effet, leur exécution nécessite d’opérations de forage de moyen à grand diamètre, d'excavations ponctuelles ou linéaires souvent difficiles à appliquer dans des contextes ayant une accessibilité réduite.
  • Face à ces limites, sont de plus en plus utilisées depuis quelques décennies des procédés visant à améliorer la qualité du sol porteur par des injections de ciment ("jet grouting") ou des produit synthétique (résine de polyuréthane).
  • La illustre le diagramme d'expansion typique d'une résine de polyuréthane bi-composante. En regardant le diagramme il est possible d’observer qu'une fois le mélange terminé (t=t0), le mélange obtenu est injecté dans le sol à travers des tuyaux de petit diamètre, préalablement installés au moyen d'une perforation réalisée à l'aide d'une perceuse manuelle. Le mélange, encore liquide, sort du tuyau à la profondeur souhaitée et commence à imprégner le sol environnant (phase d'imprégnation, t0<t<t1). Après un certain temps, qui varie en fonction de sa composition, le mélange augmente de volume (phase d'expansion - t1≤t<t2) jusqu'à ce que l'énergie générée par la réaction chimique soit épuisée (t=t2) et que le produit se polymérise, devenant stable et inerte (phase de polymérisation, t2≤t≤t3).
  • Le fort pouvoir d'expansion est capable de générer une action mécanique sur le sol (consolidation) en raison de l'augmentation de la densité des grains, du remplissage/écrasement des vides et du déplacement de l'eau interstitielle.
  • Ces effets mécaniques produisent une augmentation de la capacité portante des volumes de sol touchés par le traitement, ainsi qu'une réduction de la perméabilité globale du milieu avec une amélioration conséquente du comportement de l'eau.
  • Comme l'illustre la (vues en coupe d'un système de fondation générique pendant les phases opérationnelles), pour une intervention standard, toutes les procédures impliquent les phases suivantes :
    1. La réalisation de perforations à faible diamètre à travers la fondation ( - A), généralement positionnés à une distance en plan variant entre 0,50 m et 1,50 m (valeur qui correspond généralement au rayon d'action de la formulation dans un contexte cohésif et granulaire) ;
    2. Continuation des mêmes perforations dans les couches de sol à traiter jusqu'à la profondeur souhaitée ( - B) ;
    3. Installation d'une série de tuyaux à faible diamètre ( - C) implantés dans le sol à différentes profondeurs de manière à disposer de plusieurs points d'injection sur une même verticale ;
    4. Le traitement ponctuel par des injections cycliques de ciment ou de mélanges synthétiques tout en réalisant des pauses appropriées à l'aide d'un terminal d'injection relié à une station d'injection convenablement équipée ( - D).
  • Pendant les opérations de mise en œuvre de micropieux, mais surtout lors de l'exécution des injections de consolidation, l'un des problèmes technique et opérationnels rencontrés dans l'état de l’art concerne le suivi et la gestion des soulèvements de la superstructure.
  • Si l'état de tension et de déformation induit par le soulèvement n'est pas compatible avec la superstructure (c’est-à-dire, en cas de dépassement de l'état tensionnel seuil de résistance), il est fort probable que l’intervention puisse endommager la structure ou aggraver les pathologies déjà présentes.
  • Très souvent, ces pathologies se développent au sein du matériau qui compose la structure sans se manifester de manière évidente et/ou appréciable à l'œil nu. En plus de la problématique de la maîtrise des variations de "l'état de tension-déformation" de la structure, il y a aussi le problème lié à la difficulté de localiser tout dommage structurel après intervention qui n'est pas visible à l'œil nu.
  • Il est donc évident que dans ce type de travaux, en plus de disposer d'une instrumentation appropriée pour contrôler les opérations géotechniques, il est tout aussi important de surveiller les éventuels effets induits par les contre-coups liés au battage des pieux (dans le cas des micropieux) et par la poussé de l’expansion du mélange d'injection (dans le cas du traitement d'amélioration mécanique) sur la structure sus-jacente. Cela pour garantir la sécurité structurelle.
  • Le suivi proposé permet de
  • - détecter les signes précurseurs d'une fissure (surveillance préventive) ;
  • - définir l'origine et la propagation des signaux précurseurs des fissures (cartographie).
  • Historiques d’intervention de consolidation par injection
  • Dans l'état de l’art connu, l'exécution de travaux de consolidation de sol par injection implique un des soulèvements des structures aériennes reposant sur le sol à traiter par le biais d’un "contrôle continu par niveau laser ou autre système".
  • Avec une telle instrumentation, lorsque l'équipement signale un début de soulèvement de la construction ou de la surface du sol (ordre de grandeur lié au degré de précision de l'instrumentation utilisée - généralement 1/10ème de millimètre), le traitement du point d'injection en cours est considéré comme terminé. Ce soulèvement est associé à une très forte compaction du sol autour du point d'injection, dont les valeurs sont généralement supérieures aux valeurs minimales requises.
  • Avec une telle approche, il est évident que l'on cherche à obtenir un soulèvement afin de valider chaque point d'injection ainsi qu'une réduction de l’ouverture des fissures (permanentes ou temporaires) si elles existaient déjà.
  • Cependant, même si les opérateurs de chantier arrêteraient le cycle d'injection dès que l'instrumentation détecte un mouvement de la structure, cela n'arrêterait pas l'expansion de la quantité déjà injectée. Un tel événement induirait une augmentation de l'état de contrainte-déformation, avec l'apparition potentielle de nouvelles fissures ou l'aggravation de celles existantes. L’instant dans lequel cet événement se produit ainsi que la quantité de résine injectée restent entièrement aléatoires et liée à des conditions spécifiques du site.
  • Ainsi, il existe des situations fréquentes dans lesquelles les opérateurs de chantier, bien qu'arrêtant rapidement le traitement d'un point d'injection à l’instant dans lequel un soulèvement est détecté, ne peuvent que constater son entité et attendre sa fin.
  • Les brevets EP1914350 et EP2543769 prévoient une surveillance géophysique du sol traité pendant l'injection par le biais d’acquisition et l’élaboration de tomographies de résistivité électrique en 3D. L'évaluation de l'amélioration mécanique est effectuée au moyen d'essais pénétrométriques.
  • Le document EP1914350 prévoit que le traitement du sol est effectué jusqu'à ce que "les valeurs de résistivité électrique de la zone affaissée soient ramenées à celles non affaissée prise comme repère".
  • Le même demandeur, avec l'introduction du brevet EP2543769, a constaté que " il n’est pas toujours possible de fournir de manière pratique un volume de sol adjacent pas affaissé et qui, en raison des caractéristiques chimico-physiques et structurelles, peut être pris comme repère dans le processus de stabilisation et d'homogénéisation du volume de sol affaissé". Le document EP2543769 indique que les "effets induits par des injections séquentielles et ciblées de mélanges expansifs dans les volumes de sol affaissés sont reconnus par le biais de mesures de variation de résistivité électrique Δρ exprimée en pourcentage (%) " (avec ρ = résistivité électrique).
  • Sans préjudice de l'utilité et de la fiabilité des informations fournies par les tomographies de résistivité électrique, l'instrumentation géophysique utilisée dans les deux procédures brevetées (EP1914350 et EP2543769) ne permet pas de vérifier l'efficacité de l'intervention à chaque point d'injection, ni de suivre les soulèvements induits sur la structure.
  • Entre une opération d'acquisition, d'inversion et de traitement d'une tomographie de résistivité électrique et la suivante, il y a un certain laps de temps (time-lapse monitoring), pendant lequel les opérateurs de chantier ne disposent d'aucune instrumentation pour effectuer le dosage correct des quantités de formulation et pour vérifier en temps réel leur effet sur les structures hors sol. Ce fait augmente le risque que des effets indésirables et ingérables se produisent lorsque la résine a été déjà injectée et se trouve en phase d'expansion.
  • Le demandeur, avec la demande de brevet 102019000019789 a déjà proposé un procédé de consolidation du sol par injection de résines expansives en effectuant un suivi acoustique avec des géophones très sensibles.
  • Ce procédé fournit des informations sur l'action de la résine injecté dans le sol en temps réel et permet aux opérateurs du site de gérer les différents cycles d'injection, de confirmer la saturation du volume d'intérêt et d'agir en temps utile si des bruits anormaux et hors de portée sont détectés.
  • En effet, une fois qu'un cycle d'injection générique a été effectué, la résine en phase d'expansion génère des bruits induits par la friction avec le sol ainsi que par les effets de frottement et de compactage des grains, le remplissage des vides et le déplacement de l'eau interstitielle (si elle est présente). Ces bruits sont audibles en surface par le biais de géophones à haute sensibilité situés sur les verticales d’injection proches du volume de sol impacté par le traitement et du point d'injection. Grâce à une unité de contrôle connectée aux géophones, une série de paramètres acoustiques peuvent être associés au bruit généré par l'action de consolidation, tels que l'extension, l'indicateur smart, les spectres des fréquences.
  • Ce procédé permet donc de localiser l'action d'expansion dans l'environnement de la verticale de mesure et, en outre, de maitriser les cycles d'injection avec l'exécution de pauses entre les cycles successifs relatifs au même point d'injection dans lesquelles le cycle suivant est repris lorsque lesdits moyens de détection acoustique ne détectent plus de bruit (la fin de l'expansion de la formulation correspondra à celle de la détection du bruit).
  • Dans certains cas, les enseignements décrits par 102019000019789 peuvent réduire le risque d'apparition de soulèvements intempestifs d'ouvrages hors sol (de l'artefact lui-même ou de ses éléments annexes) avant même qu'ils ne se produisent, grâce à la possibilité d'arrêter le traitement lorsque les paramètres acoustiques caractéristiques montrent une saturation du volume autour du point d'injection générique.
  • Cependant, il n'est pas toujours possible d'éviter les effets indésirables sur la structure en "auscultant" le sol, surtout lorsque les conditions géologiques-géotechniques et structurelles sont défavorables (sols saturés ou alternances stratigraphiques surconsolidées, structures fragiles déjà endommagées par des pathologies antérieures).
  • En général, il faut partir de l'hypothèse que, dans le cas de l'application de résine de polyuréthane expansives dans le sol, son parcours d'expansion reste très aléatoire et est strictement influencée par les conditions de confinement spécifiques au site (teneur en eau, indice de vide, niveau d'hétérogénéité) ainsi que par l'effet de consolidation des cycles d'injections précédents.
  • La résine, à chaque cycle d'injection, va donc se diffuser en suivant le chemin le plus simple, c'est-à-dire le moins confiné, jusqu'à saturation complète du sol traité. A partir de cet instant, il y a une forte augmentation du risque de soulèvement des structures hors sol, ce qui justifie l'utilisation d'instruments de surveillance des structures en plus des instruments de surveillance du sol.
    •  Présentation de l'invention
  • Le but de la présente invention est de proposer un procédé de surveillance alternatif au niveau laser lors de la réalisation des injections de ciment ou de mélange synthétique, ainsi que lors de l'installation de pieux. Cela afin de garantir le niveau de sécurité que ces opérations requièrent.
  • Le but de la présente invention est de surmonter les inconvénients soulignés ci-dessus en fournissant un procédé de stabilisation des structures et de consolidation des sols qui réduit drastiquement les risques de dégâts structurels qui peuvent potentiellement se vérifier pendant les injections (soulèvements, fissuration, etc.).
  • Un objectif particulier est de mettre à disposition une procédure qui, par un contrôle continu, permet de
  • - augmenter le niveau de sensibilité de la surveillance de l'état de tension-déformation de la structure reposant sur le sol traité ;
  • - localiser et cartographier toute fissure structurelle non appréciable à l'œil nu.
  • Ces objectifs, ainsi que d'autres qui seront précisés ultérieurement, sont atteints au moyen d'un procédé conforme à la revendication 1 et à laquelle il est fait référence pour une plus grande concision de l'exposé.
  • Des modes de réalisation avantageux de l'invention sont obtenus conformément aux revendications dépendantes.
  • Description détaillée des modes de réalisation préférés
  • Quelques réalisations préférées du procédé, illustratives mais non exclusives de l'invention, seront mieux comprises à la lecture de la description qui va suivre en se référant aux figures annexées. Ces réalisations sont généralement appliquées sur des structures existantes présentant des signes d'instabilité, tels que des fissures ou des déformations d'éléments structurels et non structurels (interventions curatives après sinistre).
  • Le procédé peut également être mis en œuvre lorsque des volumes de sol de fondation doivent être traités en vue d'une augmentation des charges permanentes ou accidentelles sur la structure sus-jacente, comme l'élévation et/ou l'installation de machines lourdes (interventions préventives).
  • Il s'agit essentiellement de mélanges de ciment ou de mélanges synthétiques avec une surveillance de la structure sus-jacente à l'aide de la technologie d'émission acoustique (AE).
  • Il s'agit d'une méthode de surveillance non destructive déjà connue pour tester des structures et/ou pour vérifier/diagnostiquer des phénomènes tels que dommages, microfissures, dégradation, corrosion, etc. Elle est basée sur la détection des impulsions ultrasonores émises par les signaux précurseurs d'une fracture qui sont générés et se propagent dans le matériau dès les premiers instants où elles commencent à se produire (par exemple en raison de l'affaissement du sol de fondation).
  • La technologie des émissions acoustiques fonde ses principes sur la détection et la conversion des émissions acoustiques en signaux de tension à travers des transducteurs installés sur la structure à surveiller. Ces transducteurs, grâce à des cristaux spéciaux, sont capables de générer des signaux électriques à la moindre contrainte détectée. Il suffit de dire que les transducteurs modernes sont capables de capter une contrainte mécanique de l'ordre de 10-9 mm et de la transformer en une impulsion électrique de 10-6 volts.
  • La (vue axonométrique d'un coin d'un bâtiment endommagé) montre une application générique de l'EA pour surveiller la fissuration d'un angle (A) due à un affaissement des fondations (B). L'instrumentation est constituée d'une série de transducteurs (C) installés sur la structure à surveiller et reliés par des câbles (D) à une unité de lecture (E) qui collecte les relevés. Un logiciel installé sur un ordinateur personnel (F) traite et stocke les signaux d'émission acoustique se propageant dans la structure. Les relevés peuvent également être consultés à distance en temps réel.
  • La technologie de l’EA est réalisée avec des unités centrales capables de filtrer les signaux acquis par les transducteurs après avoir défini une valeur seuil appropriée. La définition de ce dernier permet d'exclure le "bruit" de fond lié au contexte environnemental dans lequel on opère et de ne considérer que les signaux d'EA qui dépassent la valeur seuil préétablie. Le réglage d'une valeur seuil détermine également le degré de sensibilité et de précision à régler.
  • Les paramètres acoustiques de base qui caractérisent une impulsion EA sont l'amplitude et la fréquence, ainsi que le nombre d'événements produits.
  • À partir de ces valeurs, également grâce aux méthodes d'analyse statistique d'interprétation (interprétation fractale Beta_t, valeur b, b-collapse), il est possible de prédire à un stade précoce s'il y a une évolution de la pathologie. En effet, il est connu que l'évolution des fissures structurelles est associée à
  • - une augmentation du nombre d'événements acoustiques survenant dans l'unité de temps ;
  • - une augmentation de l'amplitude de l'événement ;
  • - une réduction des fréquences.
  • D'après ce qui précède, en se référant à nouveau à la , seuls les signaux à haute fréquence (50 kHz - 1 MHz) sont associés à l'initiation de la fissuration (correspondant au moment où les fissures dans une petite partie de la structure, appelée "zone de dommage" commencent à évoluer, G).
  • La même pathologie évoluera s'il y a une augmentation du nombre de signaux EA dans la même zone, accompagnée d'une diminution progressive de la fréquence (1 - 10 kHz).
  • Lorsqu'il y a une augmentation soudaine du nombre de signaux de EA de basse fréquence et une réduction du nombre de signaux de haute fréquence, cela signifie que les dommages évoluent et qu'il y a une potentielle rupture de la structure.
  • Pour mesurer l'intensité d'un événement nous nous référerons au nombre d'oscillations, un paramètre qui est directement proportionnel à l'amplitude. Un événement sera d'autant plus intense que le nombre d'oscillations sera élevé.
  • Il existe deux approches du comptage des émissions acoustiques : le "comptage par anneau" et le "comptage d'événements" :
  • - Le "Ring-Down Counting" consiste à compter combien de fois le signal dépasse la valeur seuil ;
  • - Le "comptage des événements", quant à lui, analyse un événement unique en prenant en compte toutes les oscillations provoquées par une microfissure donnée.
  • Quel que soit le type d'approche, le premier franchissement qui dépasse la valeur seuil est celui qui fait avancer le comptage.
  • A titre d'exemple, la résume une campagne de mesure d'une durée de 30 jours caractérisée par 148 événements de EA ayant dépassé une valeur seuil donnée (A). La tendance à l'augmentation du nombre cumulé d'événements de EA (B) est symptomatique d'un phénomène de fissuration irréversible en cours. Outre le nombre croissant d'événements, la réduction des fréquences (C) et l'augmentation des amplitudes (D) confirment également le caractère évolutif de la pathologie.
  • La présente invention propose une surveillance, au moyen de la technologie d’émission acoustique, des structures recouvrant un sol soumis à une consolidation avec des injections de ciment ou de mélanges synthétiques, y compris des résines expansives, et/ou avec l'installation de pieux profonds.
  • La montre une vue en axonométrie d'un angle d'un bâtiment générique endommagé avec des travaux d'injection en cours. Cet angle est le même que celui de la mais avec en plus le traitement d’un point d'injection (H) par le biais d’injection cyclique de résine expansive.
  • Comme indiqué précédemment, lors de l'injection, une fois que l'expansion de du mélange a épuisé ses actions de consolidation du sol (remplissage des vides, déplacement de l'eau interstitielle, épaississement des grains, etc.), les conditions de confinement accrues autour du point d'injection sont susceptibles d'exercer une poussée ( I ) qui pourrait induire un soulèvement du sol et/ou de la structure sus-jacente, avec une modification de l'état de contrainte-déformation.
  • Avant de subir un soulèvement proprement dit et détectable par un laser classique ou un instrument radar (c'est-à-dire supérieur à 1/10 mm), la structure passe par une phase où elle commence à être sollicitée avec des mouvements microscopiques, si minimes qu'ils ne peuvent pas être détectés par un laser classique ou un instrument radar (moins de 1/10 mm).
  • Pendant cette phase, la "contrainte" induite sur la structure par l'expansion de la résine dans le sol génère des émissions acoustiques qui se propagent dans la matière de la structure elle-même. Bien qu'il s'agisse d'une quantité physique différente d’un soulèvement (l'EA détecte des impulsions ultrasoniques, un laser ou un radar une longueur), savoir que des impulsions sonores se propagent dans la structure revient à dire que le cycle d'injection en cours est sur le point d'épuiser les actions de consolidation au sol et commence à produire les premiers effets de poussée sur la structure sus-jacente.
  • Ces informations permettent aux opérateurs du site d'interrompre le cycle d'injection en cours pour un point d'injection donné, de façon permanente ou temporaire.
  • En effet, lorsque se produisent une augmentation du nombre d'événements acoustiques, une augmentation de l'amplitude et une réduction correspondante des fréquences, le traitement du point d'injection en cours serait définitivement interrompu (interruption définitive), car il s'agit d'une condition prédictive de l'évolution des dommages.
  • En revanche, si les paramètres acoustiques ne subissent pas de changements prédictifs d'une évolution des dommages, et en tout cas seulement lorsque des émissions sonores significatives ne sont plus enregistrées, le traitement peut être repris en dosant plus soigneusement les quantités des cycles d'injection suivants (interruption temporaire).
  • L'invention en question propose également d'utiliser la même approche de surveillance avec l’EA pour l'exécution d'interventions de consolidation au moyen de pieux.
  • La (vue axonométrique d'un angle d'un bâtiment générique endommagé avec des travaux d'installation de pieux en cours) montre le même angle affaissé que sur la où deux micropieux foncés sont en cours d'installation sur deux verticales.
  • Une fois l'excavation (H) effectuée et la partie courante de la fondation mise à nu, des platines d'acier avec bague collectrice (I) sont boulonnées sur la fondation. Des vérins hydrauliques (J), alimentés par un groupe électrique (K), fournissent l'énergie de poussée nécessaire pour enfoncer les pieux.
  • Les pieux sont enfoncés par portions jusqu'à ce que la couche souhaitée soit atteinte et/ou que la charge ponctuelle (L) souhaitée soit atteinte. Si la structure le permet, un levage contrôlé de la structure (M) peut être effectué.
  • Une fois que la couche souhaitée a été atteinte et/ou que la valeur de charge cible a été atteinte (conformément aux normes techniques en vigueur), le pieu est boulonné à la fondation, la partie excédentaire du pieu est coupée et l'excavation est remblayée.
  • Même dans ce cas, déjà pendant l'enfoncement du pieu, mais surtout et une fois que des couches profondes plus résistantes capables de contrecarrer la force d'enfoncement sont atteintes, des émissions acoustiques liées à la "contrainte mécanique" transmise par l'avancement du pieu commenceront à être générées dans la matière de la structure hors sol.
  • Bien que la poussée induite par le pieu sur la structure soit plus facilement gérable que la poussée induite par l'expansion du mélange d'injection - puisque l'arrêt de l'avancement du vérin hydraulique correspondra à l'arrêt instantané des effets de soulèvement - le fait de disposer de signes précurseurs de dommages potentiels permet d'optimiser les opérations sur le chantier, de réduire le risque de dommages éventuels et d'augmenter le niveau de contrôle d'un soulèvement de la structure, si celui-ci devait être recherché.
  • Dans ces conditions, les opérateurs du site peuvent enregistrer des signaux précurseurs de la traversée d'une couche surconsolidées, de l'interception d'une roche ou de l'approche de la couche compacte, avant même qu'un soulèvement réel détectable par un niveau laser ne se produise.
  • Le suivi des paramètres enregistrés par les transducteurs permettra de guider les opérations de chantier, qui pourront être interrompues temporairement à l'instant où l'enfoncement du pieu correspond à une augmentation du nombre d'émissions acoustiques associée à une stabilité ou une réduction du nombre d'événements acoustiques dans l'unité de temps, ainsi qu'à une stabilité des amplitudes et des fréquences de l'événement.
  • Lorsqu'une telle éventualité se produit prématurément, c'est-à-dire lorsqu'on est encore loin de la couche compacte à des profondeurs connues et/ou de la charge de pointe de conception, les opérations de fonçage de pieux peuvent être reprises avec une prudence accrue et avec des mesures appropriées pour faciliter le fonçage : utiliser la valeur de poussée et de vitesse d'avancement réduites et strictement nécessaire, effectuer le fonçage de deux ou plusieurs pieux placés à proximité immédiate. Les opérations de fonçage ne se poursuivent que si les émissions sonores ne sont pas significatives.
  • En revanche, le fonçage du pieu sera arrêté définitivement dès lors qu'au moment de la reprise du fonçage et malgré les mesures prises, il existe des indices de dommages potentiels en cours, c'est-à-dire lorsqu'il y a une augmentation du nombre d'événements acoustiques dans l'unité de temps, une augmentation de l'amplitude de l'événement et une diminution des fréquences.
  • Comme mentionné précédemment, l'EA est mise en œuvre avec des unités centrales capables de filtrer les signaux acquis par les transducteurs après avoir défini une valeur seuil appropriée. Ce paramétrage permet d'exclure le "bruit" de fond lié au contexte environnemental dans lequel on opère et de considérer comme significatifs pour la surveillance uniquement les signaux de EA qui dépassent la valeur seuil préétablie.
  • Dans le cas de l'application de l'EA, la valeur seuil initiale est également fixée en fonction du type de structure et du degré de sensibilité de la surveillance souhaité. Sa valeur peut ensuite être calibrée pendant la construction en fonction de la réponse de la structure elle-même aux injections. De cette façon, en procédant par zones de chantier homogènes en termes structurels et géologiques-géotechniques, les opérateurs de site pourront calibrer sur une base observationnelle les quantités minimales capables de commencer à transférer la "contrainte mécanique" du sol à la structure dans le cas des injections, ainsi que les profondeurs critiques et les poussées limites dans le cas des pieux.
  • Un nombre suffisant de transducteurs convenablement installés et géoréférencés par rapport à un système de référence local, grâce à une modélisation appropriée, permet également de localiser et de cartographier les points sources et la distribution de toutes les émissions acoustiques induites par les injections critiques qui ont pu causer des dommages (micro- ou macro-fractures non appréciables à l'œil nu).
  • A l'issue de l’intervention de consolidation ou de stabilisation de la structure ou des fondations, il sera donc possible de définir de manière précise et ciblée les zones endommagées qui pourraient nécessiter des travaux de réparation.
  • La manière dont une structure est endommagée, et donc dont les émissions sonores se propagent, est étroitement liée à sa fragilité (ou ductilité) par rapport à certaines contraintes (compression, traction, torsion, etc.) ainsi qu'à ses caractéristiques géométriques (forme, taille, complexité), à sa complexité et aux connexions existant entre les éléments qui la composent. Par conséquent, le nombre et le positionnement des transducteurs à installer pour effectuer le contrôle avec l'EA - en plus de tenir compte de la pathologie qui affecte la structure - doit aussi et surtout considérer le type de structure et sa géométrie.
  • Dans les structures caractérisées par une faible rigidité (c'est le cas des structures en maçonnerie), tout dommage induit par le soulèvement se trouvera principalement à proximité de la zone d'intervention sur le sol. En revanche, dans les structures présentant une plus grande rigidité (par exemple, les structures à ossature avec des poutres et des piliers en béton armé), les dommages ne se produiront pas nécessairement à proximité des zones traitées. Ceci est dû au fait que les éléments ayant une plus grande rigidité (poutres, piliers, solives, etc.…) peuvent transférer l'état de tension et de déformation à des portions de la structure plus éloignées de la zone d'intervention, de manière rigide et sans être endommagées.
  • Dans les structures en maçonnerie, on peut donc se limiter à placer les transducteurs à proximité des zones de traitement du sol, tandis que dans le cas des structures à ossature, il est bon de couvrir également les zones plus éloignées, mais structurellement reliées à la zone d'intervention. Ceci afin de détecter et de localiser les éventuels phénomènes de microfissuration induits par le transfert de l'état de tension par des éléments plus rigides tels que les poutres et les piliers en béton armé.
    •

Claims (14)

  1. Procédé de stabilisation des structures, comprenant les phases suivantes
    (a) application d'une ou plusieurs contraintes induites par des travaux géotechniques pour obtenir la consolidation des fondations ;
    b) Surveillance structurelle effectuée pendant la phase a) d'application susmentionnée et caractérisée par l'utilisation d'une technologie d'émission acoustique (EA) capable de détecter les émissions acoustiques attribuables aux contraintes induites par les travaux géotechniques susmentionnés.
  2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite étape de surveillance b) est capable d'évaluer en temps réel un ou plusieurs paramètres caractéristiques desdites émissions acoustiques associés à la fréquence et/ou l'amplitude et/ou le nombre d'émissions acoustiques dépassant une valeur seuil prédéterminée.
  3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lesdits paramètres caractéristiques sont choisis dans le groupe comprenant le nombre d'événements acoustiques, la fréquence, l'amplitude, la mise à l'échelle temporelle (Beta_t), le niveau de dommage atteint (b_value), le niveau de dommage d'effondrement (b_rupture) et similaires.
  4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de détection acoustique comprennent des transducteurs ou des dispositifs de détection similaires pour convertir des impulsions ultrasonores en signaux électriques en utilisant la technologie d'émission acoustique (AET) ou un système équivalent.
  5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite étape a) d'application comprend une étape de consolidation du sol par le biais d'injections cycliques d'un mélange consolidant, ladite étape b) de contrôle étant adaptée pour détecter le nombre d'émissions acoustiques attribuables aux contraintes induites par l'expansion dudit mélange une fois qu'il a épuisé les actions de consolidation sur le sol.
  6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel ledit mélange consolidant est choisi parmi les résines polyuréthanes expansives, les formulations expansives, les mélanges à base de ciment, les mélanges synthétiques.
  7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, dans lequel ladite étape de consolidation par injection, sur un point d'injection donné, est temporairement interrompue lorsque le cycle d'injection produit une augmentation du nombre desdites émissions sonores associées, pendant une période de temps correspondant à la phase d'expansion du mélange, à une stabilité ou une réduction du nombre d'événements acoustiques dans l'unité de temps, à une stabilité de l'amplitude de l'événement et à une stabilité des fréquences ; ledit traitement par injection étant repris lorsque des émissions acoustiques significatives ne sont plus enregistrées, c’est-à-dire au-dessus d'une valeur seuil prédéterminée.
  8. Procédé selon la revendication 6 ou 7, dans lequel ladite étape de consolidation par injection comprend les étapes suivantes :
    - réalisation de perforations à faible diamètre à travers la fondation ;
    - continuation des mêmes perforations dans les couches de sol à traiter jusqu'à la profondeur souhaitée ;
    - installation dans les perforations d'un ou plusieurs tuyaux à faible diamètre à travers les couches de sol à traiter jusqu'à la profondeur souhaitée.
  9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel ladite étape de surveillance des paramètres acoustiques est effectuée pendant ladite phase de consolidation par injection et pendant les pauses entre un cycle d'injection et le suivant par rapport au même point d'injection et dans lequel l'interruption définitive du traitement à chacun des points d'injection se produit une fois que le cycle d'injection en cours, par rapport à un point d'injection donné, met en évidence un dommage potentiel en cours ou lorsque, en référence à un cycle d'émissions acoustiques induites par le traitement, il est enregistré dans une période de temps correspondant à la phase d'expansion du mélange
    - une augmentation du nombre d'événements acoustiques dans l'unité de temps ;
    - une augmentation de l'amplitude de l'événement ;
    - une réduction des fréquences.
  10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, dans lequel ladite étape de consolidation par injection peut se produire sur un ou plusieurs points d'injection situés sur une même verticale d'injection.
  11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite étape (a) d'application comprend la mise en œuvre de pieux dans le sol en les enfonçant dans des couches de sol plus compactes, puis leur ancrage à la structure de fondation existante, dans lequel les émissions acoustique sont au moins partiellement générées par la "contrainte mécanique" transmise à la structure par la contre-poussée exercée par les pieux une fois qu'ils ont atteint des couches plus profondes et plus résistantes qui sont capables de contrecarrer la force de fonçage ou de vissage avec une réaction au moins égale et opposée aux charges transférées de la partie de la structure située au-dessus, ladite étape de contrôle des paramètres acoustiques étant effectuée pendant les opérations de mise en œuvre des pieux dans le sol.
  12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel les opérations de mise en œuvre desdits pieux dans le sol sont temporairement interrompues à l'instant où lesdites opérations produisent une augmentation du nombre desdites émissions acoustiques associée à une stabilité ou une réduction du nombre d'événements acoustiques dans l'unité de temps, une stabilité de l'amplitude de l'événement et une stabilité des fréquences.
  13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel lesdites opérations de mise en œuvre desdits pieux ne reprennent que si, lors de la poursuite de l'avancement dudit pieu en profondeur, plus aucune émission sonore significative n'est enregistrée, c'est-à-dire au-dessus d'une valeur seuil prédéterminée.
  14. Procédé selon l'une des revendications de 11 à 13, dans lequel l'interruption finale se produit une fois que la reprise des opérations de battage des pieux dans le sol présente un dommage potentiel en cours, c'est-à-dire lorsqu'il y a :
    i. une augmentation du nombre d'événements acoustiques dans l'unité de temps ;
    ii. une augmentation de l'amplitude de l'événement ;
    iii. une réduction des fréquences.
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