La géotechnique est un vaste domaine couvrant une grande variété d’ouvrages soumis à des sollicitations diverses et variées. Les interactions entre les ouvrages et leur environnement sont souvent complexes et requièrent parfois une auscultation pendant la construction de l’ouvrage et en phase d’exploitation.
Depuis quelques années, les capteurs à fibres optiques ont été proposés pour suivre la déformation des ouvrages géotechniques, en complément des capteurs traditionnels. Ces capteurs optiques présentent de nombreux avantages, et notamment leur discrétion. La technologie par réflectométrie Rayleigh est appropriée pour suivre sur des moyennes distances (< 50 m de capteur) la déformation avec une résolution millimétrique. C’est donc un capteur adapté à la mesure de déformation des fondations superficielles et profondes, des soutènements ou encore des
renforcements de sol.

CAPTEURS À FIBRE OPTIQUE

La fibre optique est connue depuis de nombreuses années pour son efficacité dans la transmission de data d’un bout à l’autre de la terre. Néanmoins, elle est aussi utilisée comme capteur de grandeurs physiques et offre beaucoup d’avantages en comparaison des capteurs traditionnels. En effet, peu intrusive, très peu sensible aux perturbations électromagnétiques, quasi inerte chimiquement, la fibre optique possède d’excellents atouts, comparativement aux capteurs électriques.
Les capteurs à fibres optiques exploitent les propriétés intrinsèques de la propagation de la lumière en milieu guidé, ce qui rend ce petit morceau de silice gros comme un cheveu très sensible aux variations de son environnement. Il devient alors possible de mesurer la déformation, la température, l’accélération, la pression, l’inclinaison, le déplacement, la mesure acoustique et même la présence d’éléments chimiques, de façon ponctuelle mais aussi répartie ou distribuée tout le long de la fibre optique.
En règle générale, ces capteurs offrent des performances comparables à celles des capteurs électroniques en termes de précision ou de sensibilité, ces derniers conservant toutefois l’avantage d’être éprouvés depuis plus longtemps par les utilisateurs du métier dans certains domaines.
La véritable rupture technologique des capteurs à fibres optiques provient de la nature répartie ou distribuée de la mesure qu’ils fournissent. Grâce à une instrumentation dédiée qui localise la mesure le long de la fibre optique, une seule fibre optique peut ainsi être considérée comme un grand ensemble de capteurs cascadés.
Utilisé depuis des dizaines d’années dans le milieu Oil & Gas, les industriels exploitent le phénomène de rétrodiffusion Raman pour connaître la température du milieu environnant tout le long du câble optique, et ce, sur des dizaines de kilomètres.
En exploitant le phénomène de rétrodiffusion Brillouin, il est aussi possible de mesurer tout le long de la fibre, la déformation et la température sur des dizaines de kilomètres. Ils sont aussi très utilisés dans d’autres domaines tels que l’industrie nucléaire, la surveillance des digues, des barrages ou des mouvements des sols.
La technologie utilisée pour nos essais présentés ici est basée sur le phénomène de rétrodiffusion Rayleigh, grâce à un montage optique interférométrique fondé sur la réflectométrie fréquentielle OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry).
Ces interrogateurs permettent des mesures réparties ou distribuées de la déformation et de la température le long d’une simple fibre optique. Cette dernière peut être collée sur la structure ou même noyée, dans le cas de béton ou de composite, par exemple, avec des milliers de points de mesures, de résolution spatiale centimétrique, voire millimétrique, et ce, sur de très grandes longueurs. Il devient alors possible

de concentrer des centaines, voire des milliers de capteurs sur de très petites distances ou surfaces, ce qui reste très difficile, quasi impossible avec des capteurs électriques traditionnels.

ESSAI DE CHARGEMENT STATIQUE

Un essai de chargement statique a été réalisé en octobre 2017 sur le site de Keller Fondations spéciales à Duttlenheim (Bas-Rhin). Cette planche d’essais s’inscrit dans un programme de développement d’un nouveau pieu tarière creuse type 3 à évent latéral rotatif 3TER. Cet essai a été conduit afin de déterminer le comportement du pieu en traçant la courbe de tassement en fonction de la charge appliquée. Le pieu de 4,8 m de longueur et 620 mm de diamètre a été réalisé avec un béton C40-50. Un essai pénétrométrique statique et un essai pressiométrique ont permis d’identifier les caractéristiques des horizons sablo-graveleux traversés par le pieu. La compacité des sables et graviers est élevée avec des qc de 20 à 60 MPa et des pressions limites variant de 3,8 à 6,7 MPa. Le chargement a été appliqué à l’aide d’un vérin d’une capacité maximum de 6 000 kN mis en place entre la tête du pieu et une poutre de réaction (figure 1).

INSTRUMENTATION

Le tassement en fonction de la charge appliquée a été suivi conformément aux préconisations de la norme NF P 94-151-1 (1999).
En plus des mesures de tassement et de force, la déformation du pieu a été mesurée par l’intermédiaire de jauges de déformations et d’une fibre optique. Les 6 jauges de déformation ont été collées sur la cage d’armature aux profondeurs suivantes : jauges 1 et 2 à 0,35 m de la tête du pieu ; jauges 3 et 4 à 2,35 m de la tête du pieu ; jauges 5 et 6 à 4,35 m de la tête du pieu (la jauge 6 a présenté un dysfonctionnement le jour de l’essai).
Lors de la réalisation du pieu, deux tubes de 50 mm de diamètre intérieur ont été fixés sur la cage
d’armature. Deux semaines plus tard, une fibre optique a été installée dans l’un de ces deux tubes, puis le tube a été rempli par un coulis. Le second tube a servi de test pour l’introduction du coulis. La fibre optique n’a subi aucun endommagement lors de sa mise en oeuvre.
Pour cet essai, un instrument de la famille Odisi, développé par la société Luna Innovation Inc. et fourni par la société Dimione Systems, a été utilisé. Dans la configuration choisie, il permet d’atteindre une résolution spatiale millimétrique sur un capteur à fibre optique de 20 m de longueur, à une fréquence d’acquisition de 50 Hz (d’autres configurations sont disponibles).

CHARGEMENT

La charge Qmax a été fixée à5 000 kN pour des raisons de sécurité vis-à-vis de la résistance de la poutre chargement. Les paliers de chargement ont été maintenus selon les critères suivants : 15 min sur les paliers de 400 kN à 2 000 kN, 60 min pour les paliers de 2 500 kN à 5 000 kN.

ANALYSE DES TASSEMENTS

L’essai a été stoppé pour une charge de 5 500 kN,
mais maintenu que quelques minutes. Pour chaque niveau de jauge, une moyenne entre les deux jauges a été considérée àl’exception de la mesure à 4,35 m de profondeur où une seule jauge 5 a fonctionné. On observe une très bonne corrélation entre les mesures optiques et les mesures des jauges.
Les mesures de déformation diminuent en valeur absolue avec la profondeur (une déformation négative correspondant à une compression). À partir de la courbe de déformation correspondant au dernier chargement, il est possible de calculer des valeurs de Qn. Le module utilisé pour le calcul est calé pour que la déformation mesurée en tête corresponde à la charge appliquée.
On note que la résistance de pointe est de l’ordre de 3 400 kN pour une charge de 5 000 kN en tête. •••
ZOOM TECHNIQUE
39
Les capteurs à fibres
optiques complètent des
capteurs traditionnels
Fig. 1 – Dispositif de chargement du pieu.
Le chargement a été appliqué à l’aide d’un vérin mis en place entre la tête du pieu et
une poutre de réaction.

Ensuite les valeurs de contrain-tes de frottement latéral qs sont
calculées à partir des valeurs de Qn sur 6 tronçons.

CONCLUSIONS

On observe que les mesures par fibre optique permettent
d’obtenir un niveau de précision remarquable grâce notamment à la résolution spatiale millimétrique de la technologie employée.
On observe aussi que les mesures optiques et les mesures par jauges donnent des résultats très similaires pour tous les paliers de chargement. L’utilisation d’une jauge en tête de cage d’armature permetd’obtenir une mesure de déformation à à cette profondeur, la fibre donnant des mesures exploitables à partir d’un mètre sous la tête du pieu.
Grâce à la précision des mesures de déformation le long du pieu, cet essai de chargement dans les sables et graviers a montré une portance du pieu 3TER bien plus élevée que le pieu tarière creuse de classe 2 catégorie 6 de la NF P 94-262 (de 30 % avec la méthode pénétrométrique et 50 % avec la méthode pressiométrique), et permet à la société Keller Fondations spéciales de rédiger un cahier des charges qui a reçu une EPG (Évaluation du procédé géotechnique) en 2018 par l’Ifsttar et le Cerema, avec l’appui d’une commission représentative de la profession géotechnique (USG, Syntec Ingénierie,
Soffons, CNJOG, CNETG, assurances, experts, bureaux de contrôles).

APPLICATION 2 : INSTRUMENTATION DES FONDATIONS D’UNE TOUR DE GRANDE HAUTEUR
Contexte
La ville de Lyon témoigne d’un développement urbain large surtout à travers la construction de nouvelles tours de grande hauteur. « Silex 2 », en cours de construction, est la 4e tour à La Part-Dieu à Lyon qui fait plus de 100 m de hauteur, après la tour Part-Dieu (165 m), la tour
Oxygène (115 m) et la tour Incity (202 m), construite en 2015. Financé par la Région Auvergne-
Rhônes-Alpes dans le cadre du programme Pack Ambition Recherche 2017, Fondasilex est un projet de recherche en collaboration entre Antea Group et l’INSA de Lyon et qui porte sur l’instrumentation géotechnique des fondations de la tour Silex 2, dans le cadre d’une thèse réalisée au laboratoire Geomas de l’INSA.
La tour sera construite sur un radier qui repose sur 10 massifs rectangulaires. Chaque massif est connecté à deux pieux de type tarière creuse au sens de la norme NFP94-262 (pieux de classe 2 et de catégorie 6). Les pieux, de diamètre 1 220 mm et de 17 m de longueur sont ancrés dans la molasse.
Instrumentation
L’instrumentation des fondations de la tour Silex 2 doit permettre de mesurer en temps réel les paramètres suivants :
la déformation tout au long du pieu dans les alluvions et la molasse,
la contrainte en tête des pieux, dues aux surcharges,
le tassement du sol en 6 profondeurs différentes,
la déformation du radier général.
Le programme d’auscultation géotechnique consiste en l’instrumentation de 6 pieux. Ils sont équipés de jauges de déformation, d’extensomètres à corde vibrante qui mesurent leur déformation à
3 niveaux (5, 12 et 17 m). Ces capteurs sont soudés sur les cages d’armature vibrofoncées dans le béton frais. Cette instrumentation est complétée par une fibre optique mesurant avec une résolution spatiale millimétrique la déformation par réflectométrie Rayleigh, fixée sur la cage d’armature des 6 pieux et du radier. Des capteurs de pression totale sont installés sur la tête des pieux pour mesurer le transfert de charge. Finalement, un extensomètre multipoints avec 6 ancrages permet de mesurer le tassement du sol. Tous ces instruments sont connectés à une centrale électrique et une centrale optique Luna Odisi 6 de dernière génération fournie par la société Dimione Systems.
Les capteurs utilisés dans ce projet permettront d’avoir des résultats durant la construction de la tour et pendant une durée de 10 ans. L’objectif de cette instrumentation est de déterminer l’évolution des contraintes dans les fondations à partir de leur déformation.

ZOOM TECHNIQUE
40
Câble fibre optique (bleu) noyé dans structure béton.

Câble fibre optique
inséré dans le géotextile.


Ces mesures permettront de calibrer des modèles numériques complexes. Ce modèle adapté au contexte géologique spécifique du site de La Part-Dieu permettra une optimisation des fondations des futures tours programmées sur ce site. Ce modèle pourra aussi être transposé à d’autres contextes géotechniques.
Les fondations ont été réalisées par la société SGC en février 2019 et l’instrumentation mise en place pendant cette phase de construction. Nous n’avons eu à déplorer aucune perte de capteurs ;
ils sont désormais connectés aux centrales d’acquisition et peuvent mesurer les différentes grandeurs physiques pendant toutes étapes de la construction de la tour. Cette phase d’instrumentation a mis en évidence la simplicité de l’installation des fibres optiques et leur robustesse lors du vibrofonçage de la cage d’armature dans le béton frais sur 17 m de longueur.

APPLICATION 3 : INSTRUMENTATION D’UN GÉOSYNTHÉTIQUE DE
RENFORCEMENT
Contexte
Dans le cadre du projet Ademe Regic visant à caractériser le
comportement de plateformes renforcées par géosynthétiques sujettes à des effondrements localisés, des expérimentations en vraie grandeur d’ouverture de cavité ont été réalisées par le producteur de géosynthétiques Afitexinov, l’Ineris et les laboratoires 3SR de l’UGA et Geomas de l’INSA Lyon. Le projet Regic ambitionne de développer et industrialiser un géosynthétique multimodules intelligent destiné au renforcement des sols au-dessus de cavités potentielles, doté d’un
système de détection permettant une diffusion rapide de l’information en cas d’affaissement ou
d’effondrement de la cavité.
Plots expérimentaux
12 plots expérimentaux ont été réalisés au cours du printemps 2019 pour évaluer les performances de différents géosynthétiques renforçant des plateformes de différentes natures (limon, sable chaulé) et épaisseurs soumises à des effondrements localisés de 1 m et 2 m de diamètre. Ces plateformes ont aussi subi des chargements statiques après ouverture des cavités.
L’instrumentation de ces plots consiste en la mesure :
du tassement en surface au droit de la cavité,bde la déflexion du géosynthétique au droit de la cavité,
du report de charge sur les bords de la cavité,bde la déformation des géosynthétiques à à l’aide de fibres optiques. 3 technologies de mesures de déformation par fibres optiques ont été utilisées lors de cette expérimentation :nréseaux de Bragg (FBG),
réflectométrie Brillouin (Fibristerre fTB2505)
réflectométrie Rayleigh (Luna Odisi-6108).
L’intérêt de la fibre optique pour ce type d’application est de
l’insérer dans la chaîne debfabrication des nappes géosynthétiques pour qu’elle s’y intègre parfaitement. La mesure de la déformation se fait donc au coeur de la nappe géosynthétique qui sert aussi de protection à la fibre optique.
Les résultats de ces essais seront présentés aux termes du projet Regic.

CONCLUSIONS
Les fibres optiques sont de plus en plus utilisées dans des applications géotechniques pour mesurer la déformation. Elles peuvent être facilement intégrées dans les géomatériaux et ont l’avantage d’être très discrètes tout en assurant une mesure répartie avec une précision extraordinaire. Elles peuvent remplacer les capteurs géotechniques traditionnels plus encombrants, notamment au niveau des câbles. Par exemple, 1 m de pieu instrumenté par une fibre optique
« Rayleigh » mesurant la déformation avec une résolution spatiale centimétrique nécessiterait l’installation de 100 jauges de déformation pour obtenir le même niveau d’instrumentation et donc 100 câbles. L’utilisation de la fibre optique permet donc d’obtenir un niveau d’informations inégalé avec les capteurs traditionnels.
La possibilité des fibres optiques d’être intégrées dans des géosynthétiques sans rigidifier ponctuellement la nappe est aussi un point essentiel à la mesure de leur déformation. Les fibres optiques peuvent être utilisées pour réaliser des essais géotechniques (essais de chargement statique) ou pour instrumenter des ouvrages réels sur de longues périodes puisque les caractéristiques de la fibre ne sont pas altérées avec le temps.
Les capteurs à fibre optique permettent aussi la mesure d’autres grandeurs physiques comme la température, l’accélération, la pression, l’inclinaison, le déplacement, la mesure acoustique et même la présence d’éléments chimiques, de façon ponctuelle mais aussi répartie tout le long de la fibre optique.
Ces capteurs sont donc amenés à être de plus couramment utilisés, ce qui permettra de réduire les coûts des centrales optiques qui restent encore un frein à leur utilisation sur les ouvrages courants.
Maurizio Chiani, Dimione Systems, Brunoy, France

Laurent Briançon, université Lyon INSA-Lyon, Geomas,
Villeurbanne, France