Détection non destructive de la longueur du pieu pour

Jul 13, 2023

Une nouvelle méthode d'essai permettra au MnDOT de déterminer les profondeurs des pieux de fondation souterrains des tours d'éclairage à haut mât (HMLT) sans creuser ni démanteler. Les HMLT doivent respecter les normes de conception pour assurer la stabilité de la charge. En utilisant la nouvelle méthode pour évaluer la profondeur des pieux, le MnDOT pourrait éviter des rénovations ou des remplacements coûteux et donner la priorité aux tours d'éclairage nécessitant une refonte.

Des centaines de tours d'éclairage à haut mât (HMLT) sont installées dans tout le Minnesota, et beaucoup sont en place depuis plusieurs décennies. Le Bureau des ponts et des structures du MnDOT est chargé de s'assurer que les tours et leurs fondations sont conformes aux spécifications actuelles de conception des facteurs de charge et de résistance (LRFD) de l'AASHTO et de les reconcevoir, si nécessaire.

Pour prendre cette décision, les ingénieurs doivent comprendre la structure, la géométrie et les dimensions des fondations HMLT. Alors que les fondations HMLT du Minnesota sont généralement conçues avec une dalle de béton triangulaire fixée à ses sommets par trois pieux ancrés angulairement, les détails peuvent être inconnus car la documentation de construction et les données sur le sol de nombreuses tours font défaut.

"Cela a été un défi de surveiller les tours d'éclairage à mât élevé pour s'assurer que les normes de conception actuelles sont respectées. Mais des tests sur le terrain réussis et une analyse approfondie ont abouti à un outil très utile et rentable", a déclaré Rich Lamb, ingénieur des fondations, MnDOT Office of Materials and Road Research.

La conformité d'une fondation HMLT aux spécifications LRFD dépend de la profondeur des pieux. Sans registres de construction ou autres preuves de la profondeur des pieux, les fondations auraient besoin d'une rénovation ou d'un remplacement coûteux pour garantir le respect des normes de conception.

D'autres programmes MnDOT ont exploré ou mis en œuvre diverses technologies de détection à distance ou non destructives pour l'inspection des actifs. L'agence souhaitait un outil de sélection pour identifier les longueurs de pieux en place afin de hiérarchiser efficacement les HMLT nécessitant une attention particulière.

L'objectif de ce projet était de développer une méthode non destructive, y compris le matériel et l'analyse de données hors ligne, pour déterminer les longueurs de pieux en place.

L'équipe de recherche a utilisé une approche à plusieurs volets pour concevoir une technique de terrain qui détecterait la longueur des pieux de fondation sous terre. Les membres de l'équipe ont identifié une méthodologie de détection basée sur deux techniques vibratoires mécaniques : une vibration en régime permanent d'un agitateur à piston pneumatique et un seul impact de marteau sur une plaque de montage.

Les deux méthodes ont appliqué la vibration au-dessus de la tige du pieu. Un pénétromètre à cône sismique enfoncé dans le sol a testé le profil du sol - ou la stratification - et a été équipé d'un capteur de mouvement à son extrémité. Une tige d'acier séparée insérée entre le chapeau de pieu et la source de vibration a fourni une connexion physique pour que les vibrations mécaniques se transmettent à travers le pieu. En raison du contraste d'impédance sismique élevé entre le pieu et le sol environnant, les ondes sismiques causées par les vibrations sont transmises jusqu'au fond du pieu et dans le sol environnant. Les données d'onde recueillies par l'instrumentation sont utilisées pour aider à estimer la longueur du pieu.

Après avoir examiné les données de construction existantes limitées sur les conceptions de fondation HMLT et les caractéristiques du sol du Minnesota, les chercheurs ont créé un modèle informatique pour simuler et analyser en 3D l'interaction entre le sol et les pieux dans le contexte de la méthodologie de détection et, finalement, la corrélation entre les modèles de forme d'onde et la profondeur du pieu. Le modèle a également informé les paramètres de test les plus efficaces pour les deux méthodes, y compris la fréquence de vibration optimale et l'emplacement des capteurs sismiques.

"Bien que notre méthode puisse sembler coûteuse - 5 000 dollars pour analyser une tour individuelle - elle a le potentiel de faire économiser jusqu'à 8 millions de dollars aux contribuables du Minnesota, car il en coûte environ 40 000 dollars pour remplacer une fondation HMLT", a déclaré Bojan Guzina, professeur au Département de génie civil, environnemental et géotechnique de l'Université du Minnesota.

L'équipe de recherche a conçu des réseaux de neurones profonds - des ensembles d'algorithmes - pour interpréter les données d'impact vibratoire et de marteau en ce qui concerne la profondeur du pieu. Alors que des données de terrain adéquates sont normalement nécessaires pour créer un algorithme d'apprentissage automatique, les chercheurs ont utilisé des milliers de simulations de modèles comme données de formation par procuration.

Enfin, avec des ajustements mineurs à la conception prévue, l'équipe a testé le système de détection sur plusieurs fondations HMLT dans la région métropolitaine de Twin Cities pendant 15 mois. Sur chaque site, l'orientation et la géométrie des casques de pieux enterrés ont d'abord été identifiées pour guider le placement de l'équipement d'essai. Des méthodes d'impact à l'état stable et au marteau ont été utilisées, et le sol a été testé pour comprendre le profil du sol sur toute la longueur du pieu. Les chercheurs ont comparé les longueurs de pieux identifiées par leurs méthodes aux données de construction MnDOT HMLT existantes.

À l'aide de capteurs, de données sur le sol, de simulations 3D et d'apprentissage automatique, les chercheurs ont développé une approche analytique et non destructive pour déterminer la profondeur des pieux de support sous une fondation HMLT. La méthode a produit des résultats cohérents à six mois d'intervalle. Dans l'ensemble, les résultats ont montré que la méthode d'impact du marteau correspondait plus souvent aux données MnDOT que la méthode vibratoire à l'état d'équilibre, bien que les chercheurs recommandent d'utiliser les deux pour des estimations robustes.

L'équipe a également déterminé qu'une fondation HMLT entière avec trois pieux peut être évaluée en une journée en utilisant la méthode d'impact du marteau, concluant que cette méthode - par rapport aux coûts de modernisation ou de remplacement - pourrait économiser des ressources substantielles pour MnDOT.

Ce projet a fourni un outil de sélection potentiel pour aider à éclairer les décisions du MnDOT de remplacer, de moderniser ou de laisser les fondations HMLT existantes telles que construites. L'agence envisage un programme pilote qui donnerait la priorité aux HMLT et utiliserait cette méthode de détection pour évaluer ceux sans documentation de construction afin de déterminer si les normes de conception actuelles sont respectées.