Les essais
Analyses
Analyses des eaux
Analyse des eaux (consulter les recommandations AFTES)
en cas de venues d'eau dans l'ouvrage, on commencera par rechercher les sources extérieures possibles: nappe, pluie, ruissellements et infiltrations superficielles, fuites de réseaux enterrés, ... et voir si des actions sont envisageables avec les concessionnaires ou les propriétaires;
des mesures de débits seront effectuées (si possible) sur une certaine durée; leurs variations peuvent orienter vers une source possible d'alimentation. La pluviométrie sera également mesurée ou récupérée auprès des services météorologiques.
L'inspecteur peut déjà lui - même, à l'aide d'appareils simples, mesurer certains paramètres comme les débits, la température, le pH, la conductivité (qui donne une première idée sur la minéralisation quantitative de l'eau, et donc sur une origine probable);
parallèlement, on fera pratiquer quelques analyses d'eaux par un laboratoire spécialisé, qui devra effectuer lui -même les prélèvements.
La détermination de base doit être systématique:
pH (si possible in situ)
TAC (titre alcalimétrique complet)
Calcium (Ca++)
Sels dissous (extrait sec à 105°C), conductivité
Calcul de l'index de saturation d'après Langelier Hoover, à 20°C (et 10°C)
Cette analyse décidera du caractère «incrustant» ou «dissolvant» de l'eau.
Si l'on suspecte une attaque chimique particulière, on fera déterminer:
Sulfures
Sulfates (SO4--)
Magnésium (Mg++)
et éventuellement:
Matières en suspension (quantité et nature)
Chlorures (Cl-)
Ammonium (NH4+)
Oxydabilité au permanganate en milieu alcalin (présence de matières organiques)
La recherche des origines de l'eau est facilitée par:
Bilan ionique total
DBO5, DCO, azote total K
Si le laboratoire peut fournir son interprétation chimique, elle doit être lue à la lumière de la connaissance de
l'ouvrage. L'opération peut être complexe.
Tout au plus peut-on donner quelques repères, sous forme de seuils généralement admis.
L'eau est incrustante si l'index Langelier est positif.
L'eau est agressive si:
Index de Langelier négatif
pH < 6.5
CO2 (agressif, ou libre) 15 à 30 mg/l
SO4-- 250 à 600 mg/l
Mg++ 100 à 300 mg/l
NH4+ 15 à 30 mg/l
TAC (eau douce) <= 1 meq/l
Cl- 250 à 500 mg/l
Matière organique si: DCO > 10 mg/l
DBO5 > 6 mg/l
Oxydabilité au permanganate > 4 mg/l
Analyses des mortiers et bétons
Analyse des mortiers et bétons
Certains des essais ci - dessous nécessitent un matériel de haute technicité et une interprétation menée par des spécialistes. La section de chimie analytique du LCPC de Paris dispose des équipements et du personnel requis. Densité, porosité, teneur en eau.
Analyse chimique centésimale sur fraction soluble dans HN03.
Analyse thermique différentielle et thermogravimétrique simultanée.
Détermination des espèces minérales présentes par diffractométrie des rayons X.
Examen en microscopie électronique à balayage.
On parvient ainsi à retrouver une composition originelle de mortier ou béton, en particulier la nature du liant (chaux ou ciment). Les produits expansifs sont bien mis en évidence.
Essais sur les bétons
En laboratoire:
Ils sont le plus souvent exécutés sur carottes de sondages, moyennant certaines précautions.
On peut citer:
Profondeur de carbonatation test à la phénol phtaléïne
Alcali-réaction test aux ions uranyle
In situ:
Sclérométrie (dureté superficielle)
Autres tests in situ
L’emploi d’acide chlorhydrique (HCl N/10) permet aussi par humectation du matériau de différencier la dolomie du calcaire (celui-ci fait effervescence, pas la dolomie), mais aussi de lever rapidement une indétermination sur la nature de certaines concrétions.
Mesures
Investigations et essais complémentaires
La liste des techniques citées ci-après n'est pas exhaustive. Elle reflète ce qui est couramment utilisé en tunnel.
Certaines d'entre elles sont destructives et ne s'appliquent pas à tous les ouvrages.
En complément de la présentation des techniques qui est faite ci après, on a précisé le cadre dans lequel chacune d’elles est utilisée. Leur utilisation répond à trois types d’objectifs:
(1). Suivre l'évolution d'un ouvrage dans le temps (auscultation métrologique);
(2). Compléter une inspection détaillée afin d'établir le diagnostic final;
(3). Réaliser des reconnaissances complémentaires dans le cadre d'un projet de réfection.
Les mesures dimensionnelles effectuées périodiquement permettent de mettre en évidence les vitesses de déformation ou de déplacement et donc une éventuelle accélération dangereuse.
Fissurométrie (X, Y, Z) (1)
Technique employée sur une ou quelques fissures isolées dont on pense que le comportement est représentatif d'une évolution locale. Elle est employée dans les maçonneries et les bétons, très rarement sur des fissures rocheuses (du moins en tunnel). Les jauges extensométriques en plastique (à coller à cheval sur la fissure) ont une durée de vie limitée et ne mesurent que l'ouverture de la fissure. Les appareils métalliques à sceller permettent de réaliser des mesures en XYZ sur de longues périodes et sont plus fiables. Les mesures sont manuelles (pied à coulisse) ou automatiques (centrale d'acquisition avec ou sans télétransmission) et toujours associées à des mesures de température.
Les fissuromètres à corde vibrante ou à capteur électrique ont une grande précision (1/100 de mm) et sont reliés à une centrale d'acquisition.
Mesures de convergences (1, 2, 3)
Les mesures de convergences consistent à déterminer les variations de distance entre des repères scellés dans les parements sur une section de l’ouvrage. On parle plus précisément de convergences relatives car, dans la plupart des cas, les mesures ne font pas appel à des points fixes extérieurs à l’ouvrage, d’où le caractère relatif des déplacements mis en évidence.
Elles sont toujours associées à des mesures de température.
Convergences relatives (1, 2)
Distancemètres à fil INVAR (Type LRPC): la chaîne de mesure est constituée de fils en INVAR étalonnés et d'un vernier au 1/20. Le nombre de repères installés dans chaque profil de mesure varie de 2 à 7. On en déduit le type et la vitesse de déformation du profil en travers.
La précision est de l'ordre de 0.2 mm, suffisante pour un suivi de déformations.
La méthode nécessite une absence totale de circulation. Les mesures sont manuelles.
La durée de vie des repères (qui doivent être protégés) est supérieure à la décennie.
Pour connaitre le déplacement de l'ensemble du profil dans l'espace, nivellement et planimétrie sont indispensables.
Distancemètres opto-électroniques: l'absence de fils tendus permet de tolérer une circulation (faible) mais aussi de se rattacher à une stabilité extérieure permettant de déduire le mouvement du profil dans l'espace.
Leur précision est légèrement moins grande que celle des distancemètres à fil.
Convergences absolues (ou extensométrie en forage) (2, 3)
On mesure le déplacement du parement par rapport à un point supposé stable en fond de forage (barre INVAR scellée).
La précision peut être inférieure au 1/10 de mm.
La méthode est relativement lourde (forages carottés, scellement délicats, coût).
Elle est peu utilisée en surveillance, mais surtout dans le cadre d'études spécifiques.
Planimétrie (1, 2)
Couplée avec les convergences relatives au fil INVAR et s'exercant sur les mêmes repères, elle fournit les déplacements en plan du profil. Au-delà d'une certaine longueur d'ouvrage, la précision des visées chute très vite si l'on ne dispose que de repères de stabilité extérieurs au tunnel. Elle est de ce fait très peu utilisée.79
Nivellement relatif (1, 2, 3)
Couplé avec les convergences relatives au fil INVAR et s'exercant sur les mêmes repères, il fournit les déplacements verticaux du profil. Un cheminement englobant tous les repères (de piédroits par exemple) et s'appuyant sur un repère supposé stable donne une précision de l'ordre de 0.2 à 0.5 mm pour un cheminement de 1 km.
Cette opération est relativement rapide car localisée à la zone des profils à surveiller.
Nivellement général (1, 2, 3)
Venant en complément du précédent, ce nivellement de précision permet de suivre les variations d'altitude du repère origine sur lequel s'appuient les nivellements relatifs. Il se rattache à des stabilités extérieures au tunnel (repères IGN par exemple) et peut nécessiter des cheminements assez longs (double cheminement avec contrôle de marche).
Mesures de déformation du revêtement par extensométrie (1)
Les extensomètres à base courte fixés à la surface du revêtement, ou incorporés dans celui-ci avant bétonnage, permettent de mesurer ses déformations, c’est-à-dire les allongements ou raccourcissements relatifs du matériau à partir d’un état initial. Pour des orientations du dispositif selon l’un des axes principaux de déformation, on peut passer aux contraintes à travers le seul module d’élasticité. Les deux types de matériel sont les extensomètres à cordes vibrantes, et les jauges électriques, dont la résistance varie avec leur déformation. Après étalonnage, ces dispositifs peuvent fournir directement une valeur de contrainte.
Profilométrie par stations (1, 2, 3)
Le relevé de profils de souterrains est effectué à l’aide d’un profilomètre laser, constitué d’un tachéomètre électronique fonctionnant sans réflecteur. Le pas de mesure est choisi en fonction du profil relevé et de la finesse recherchée.Une centaine de points par profils est généralement suffisante. La précision de la mesure de distance est de l’ordre de 5 mm. Cette méthode, qui est utilisée systématiquement pour le contrôle de l’excavation des tunnels en cours de creusement, permet également de vérifier le gabarit d’ouvrages existants, en vue de travaux par  exemple. La distance entre profils mesurés varie de 2 à 10 m suivant l'irrégularité des objets et la précision recherchée dans l'estimation (hors profils, en profils, cubatures,...).
b Radar géophysique (2, 3)
La réflectométrie d’impulsion d’ondes électromagnétiques, plus connue sous le nom de «radar géophysique», utilise des ondes de très grande fréquence. Lors du déplacement régulier des antennes émettrice et réceptrice le long des profils de mesure (en général les génératrices du tunnel à plusieurs niveaux), les réflexions des ondes sur les différentes discontinuités rencontrées constituent autant d’échos sur les radargrammes, qui sont des coupes- temps (ou coupesprofondeur des structures si les vitesses de propagation sont connues). Cette méthode permet en particulier de mettre en évidence le contact entre l’extrados du revêtement et le terrain s’il n’y a pas collage entre les deux. Vides et objets métalliques (cintres, armatures) sont décelés. Cette méthode est relativement lourde et lente (déplacement lent en nacelle, nécessité de plaquer l'antenne sur le revêtement). Son interprétation est difficile et demande à être étalonnée à l'aide de sondages. La présence d'eau est pénalisante. Son coût est relativement élevé, sachant que la méthode ne peut se substituer aux méthodes traditionnelles.
Scanner visible (1, 2, 3)
Scanner thermographique (1, 2, 3)
La voie infrarouge est un système passif. Le scanner enregistre le rayonnement thermique émis naturellement par la paroi du tunnel. Cette méthode permet de détecter des circulations d’eau (ou d’air) situées dans le revêtement ou à son extrados, et par exemple de mettre en évidence des drains masqués par un enduit, à condition qu’existe un contraste thermique suffisant entre la structure et le fluide. Il est donc évident que la pertinence et le contraste de la réponse sont fonction du moment opportun: flux thermique momentanément stabilisé et dont le sens est connu. Un suivi préalable des températures permettra de réaliser l'opération dans des conditions favorables et d'interpréter plus finement la réponse.
Profilométrie en continu (2, 3)
Elle peut être réalisée en même temps qu'une acquisition scanner visible ou thermographique.
Elle permet d'avoir un profil géométriquement quantifié en tout point de l'ouvrage.
Analyses de mortiers et bétons (2, 3)
Elles sont décrites en annexe 11 ( ).
Analyses d'eau (2, 3)
Elles sont décrites en annexe 11 ( ).
Mesures de pression (2, 3)
Pression de contact avec le terrain : les cellules de pression totale (à cordes vibrantes, ou à contre -  pression) placées entre le terrain et le revêtement, permettent de suivre les évolutions des interactions ouvrage- terrain pendant la construction et les premières années d’exploitation.
Pression hydrostatique: la mesure de la pression hydrostatique depuis le tunnel s’effectue dans un forage dans lequel est placée une cellule de mesure de pression interstitielle, hydraulique, pneumatique, ou électrique (corde vibrante).
Sondages destructifs ou carottés (2, 3)
Ils ne doivent être utilisés que dans les tunnels dépourvus d'étanchéité extrados.
Les sondages destructifs courts (moins de 3 mètres) sont généralement suffisants pour reconnaitre le corps du revêtement ainsi que le terrain proche. L’intérêt des sondages destructifs est leur faible coût. Ils doivent être valorisés par l’enregistrement des paramètres liés à la progression de l’outil (au minimum : vitesse d’avancement, poussée sur l’outil, percussion réfléchie), et par une observation endoscopique.
Les sondages carottés permettent de prélever des échantillons intacts, tant dans le revêtement que dans le terrain encaissant, en vue d’essais de laboratoire (essais de résistance et de déformabilité, caractérisation physico-chimique ou minéralogique). Les carottes retirées du terrain doivent faire l’objet de relevés descriptifs de la fracturation (R.Q.D.), et de photographies en couleur.
Fenêtres (surtout en ouvrages anciens) (2, 3)
Elles sont pratiquées dans le revêtement jusqu'au contact du terrain, pour autant qu'il n'y ait aucune étanchéité extrados. Elles permettent une observation confortable des différentes couches traversées, qui doivent alors être décrites et photographiées. Le prélèvement d'échantillons est facilité. Elles sont de moins en moins employées, particulièrement en raison de leur coût élevé (main d'œuvre).
Tranchées (tous ouvrages) (2, 3)
Elles permettent de reconnaître la nature et la profondeur d'une assise de piédroits, la constitution ou les désordres d'une partie de chaussée.
Essais mécaniques sur échantillons (2, 3)
Ils sont généralement réalisés sur échantillons intacts, ou carottes de sondages.
Toute la gamme des essais mécaniques de laboratoire peut être mise en œuvre.
Mesures de contraintes (2, 3)
Les mesures de contraintes in situ peuvent porter, soit sur le revêtement, soit sur le terrain (nu ou dans une fenêtre). Il existe deux grandes familles de méthodes.
Méthode par substitution (vérin plat): utilisée pour les mesures à la surface de l’intrados ou à faible profondeur dans le revêtement, cette méthode consiste à substituer à la contrainte de compression que l’on désire mesurer, une contrainte extérieure connue.
Méthode par relâchement local des contraintes en fond de forage: elle permet d’accéder à la mesure de l’état de contrainte à l’intérieur du massif. Le principe repose sur l’observation des déformations induites dans la roche par un relâchement local des contraintes obtenu par surcarottage.Les types de reconnaissances suivants ne sont employés que dans des cas très particuliers pour répondre à des questions spécifiques:
Micro-gravimétrie (2, 3) Panneaux électriques (2, 3)
Microsismique (2, 3) Mesure de radioactivité (2, 3)
Ultrasons (2, 3) Dilatométrie (2, 3)
Impédance mécanique (2, 3) Essais de perméabilité (2, 3)
c Analyse et caractérisation des matériaux p. 76
c Analyse et caractérisation des matériaux p. 76