LES ESSAIS DE DYNAMIQUE DES SOLS

Ces chargements cycliques peuvent être dus à des facteurs environnementaux (activités sismiques
terrestres ou maritimes), ou à des facteurs humains (vibrations dues à des machines, trafic ferroviaire
et routier...). Il s’agit le plus souvent de déterminer la déformation plastique irréversible accumulée lors des cycles, et l’augmentation de la pression interstitielle n’ayant pas le temps de se dissiper. On
obtient selon la norme utilisée (ASTM D3999-11 ou ASTM D5311-11) le module d’Young et le coefficient d’amortissement du sol ou la raideur cyclique du sol en conditions non drainées. Ces essais
étaient pratiqués essentiellement par des instituts de recherche avancée en raison de la complexité de leur mise en oeuvre et des budgets d’investissement.

Aujourd’hui, des fabricants proposent des systèmes adaptés et simples d’utilisation permettant de conduire ces essais de la même façon qu’un essai triaxial conventionnel pour un coût abordable. Les
systèmes d’entrée de gamme sont capables de tester des éprouvettes de 50 à 100 mm de diamètre à des fréquences de 0 à 5 Hz pour des charges allant jusqu’à 10 kN. De nombreuses options existent pour multiplier les possibilités et s’adapter aux besoins les plus compliqués (capteurs locaux, Bender Elements, essais non saturés...).

Quelles sont les techniques utilisées pour le chargement vertical ?

Hier, la majorité des essais dynamiques sur sols était réalisée à l’aide de vérins pneumatiques, mais ceux- ci s’avérèrent peu précis, peu fiables à petites contraintes et très limités en capacité. Les constructeurs font désormais le choix du vérin électromécanique, véritable atout pour les systèmes modernes !
Compacts, silencieux, peu gourmands en énergie, ils ont un coût modéré en fabrication, à l’exploitation et à la maintenance. Leur régulation est fine et précise, tant en force qu’en déplacement. Ils sont proposés dans une large gamme de capacités de chargements et de fréquences (exemples : 2 Hz / 60 kN – 5 Hz / 40kN – 10Hz / 20kN).

Cette technique a été développée pour les essais triaxiaux (VJT9400, ELDYN, DYNTTS), mais est également appliquée à des machines de cisaillement simple uni ou biaxial (EMDCSS, VDDCSS) et au triaxial vrai 3 axes.
Pour les fortes capacités (> 60 kN) et fréquences (10 Hz), la solution adaptée exploite un vérin hydraulique. C’est le cas des échantillons de grande taille (> 200 mm de diamètre). Leur encombrement est plus lourd par la présence d’un groupe hydraulique et de son système de refroidissement.

Plus onéreux à l’achat et à l’exploitation, les systèmes sont aussi plus contraignants (hautes pressions,
bruit, température).

Zoom sur quelques systèmes 

Systèmes triaxiaux ELDYN et VJT 9400

Deux configurations économiques développées pour les laboratoires de production : gammes de force
de 5 ou 10 kN, fréquences de 0 à 5 Hz.
ELDYN : bâti robuste à 2 colonnes. Le vérin électromécanique est monté sur la traverse supérieure, la
cellule triaxiale modifiée se place comme sur une presse classique.
Le confinement est appliqué à l’aide d’un régulateur d’air via un compresseur (1 MPa) afin de maintenir la pression constante en partie haute de cellule. Le bâti intègre un encodeur axial. L’acquisition des données et le pilotage de la machine s’effectuent avec le logiciel dédié GDSLAB selon une régulation à un seul paramètre « raideur estimée » et une centrale dynamique spéciale ELDCS (16 bits, 1 kHz) à 4 voies. Contrôleur hydraulique pour la contre-pression, capteurs de force interne et de pression interstitielle complètent le système.
VJT 9400 : variante où la base est une presse triaxiale statique de 50 kN et où le confinement est appliqué via un compresseur et un cylindre interface air-eau (2 MPa max). L’ensemble du système est
piloté selon une régulation PID (3 paramètres) à l’aide du logiciel dédié Clisp Studio.

Système triaxial DYNTTS

Système tout intégré avec 12 passages de cloison prévus par défaut, seule la cloche de la cellule est amovible. Le vérin électromécanique est contenu dans la base avec l’encodeur linéaire, le montage des échantillons est donc facilité. Le confinement se fait à l’eau jusqu’à 2 MPa via un contrôleur pression-volume standard et grâce au piston contrebalancé. Le pilotage se fait avec GDSLAB et une
centrale dynamique spéciale type DCS à 8 voies d’acquisition dynamique. Ce bâti reçoit de série
le nouveau Firmware Adaptive Control permettant de s’affranchir des paramètres de régulation classiques type « raideur virtuelle » ou PID. En effet, la machine corrige elle-même l’intensité du chargement selon la variation de raideur de l’éprouvette pendant l’essai. Les options disponibles sont :
capteurs locaux, Bender Elements, pression radiale dynamique…
Les capacités sont multiples : de 10 à 60 kN et de 2 à 10 Hz.

Système triaxial LDCTTS
Système spécialement conçu pour les échantillons de grandes tailles (300 mm de diamètre) type ballast. L’appareil est une presse à chargement vertical hydraulique capable d’effectuer des essais monotones ou dynamiques jusqu’à 10 Hz et effort axial de 100 ou 250 kN. À ces capacités, la pression radiale est appliquée à l’aide d’un contrôleur dynamique. Ceci permet de maintenir soit une pression constante dans la cellule en cours d’essai, soit d’effectuer des essais à confinement cyclique synchronisé avec le chargement vertical (EN 13286-7).

Système de cisaillement simple biaxial – VDDCSS
Cette machine possède 2 axes de cisaillement horizontaux placés à 90° l’un de l’autre et l’axe de chargement vertical. Les essais peuvent être effectués dans 2 directions, de façon synchronisée ou indépendante. La direction du cisaillement peut ainsi être choisie et modifiée en cours d’essai. L’application principale de cet appareil est d’étudier l’effet des variations de la direction du vent pour les fondations d’éoliennes. Elle est utile également pour l’étude des ondes de cisaillement de surface en cas de séisme.

Ses caractéristiques principales sont 3 vérins électromécaniques avec encodeurs, un pilotage en force et/ou déplacement, des capacités respectivement de 5 kN (effort normal) et de 2 kN sur chaque axe horizontal (y et z), une fréquence d’essai jusqu’à 1 Hz etson logiciel dédié.

Jean-Luc Averlan
Directeur et gérant de Sols Mesures
et
Sophie Laliat,
Ingénieur ENSI Poitiers au
département Géotechnique de
Sols Mesures