La conception des structures géotechniques telles que les barrages et les digues ainsi que la fondation des structures civiles est basée principalement sur les paramètres géotechniques obtenus au terrain, par exemple, des essais standards (SPT) et (CPT) de pénétration. Les données obtenues à partir de ces types d’essais (N-SPT, qc-CPT) sont fortement affectées par les caractéristiques des particules du sol (la taille des particules, la forme des grains, et la distribution). Ces essais de pénétration se heurtent généralement à des problèmes de remaniement et s’arrêtent face à la présence de blocs. D’autre part, les essais non destructifs qui permettent la détermination de la vitesse des ondes de cisaillement Vs, ne sont pas affectés par la présence de pierres ou de blocs et continuent à travers les roches. En fait, la vitesse des ondes de cisaillement est aujourd’hui utilisée pour investiguer dans les sols difficiles à échantillonner et peut détecter les caractéristiques des particules car elles influent sur la façon par laquelle l'onde se propage à travers un milieu granulaire. Ce projet vise à mettre en évidence, par des mesures Vs au laboratoire, l'influence des caractéristiques des particules sur les propriétés mécaniques du sol tel que le module oedométrique et le module de cisaillement à faible déformation. L'étude expérimentale a été menée avec la technique P-RAT: anneau transducteur piézoélectrique. Cette technique a été incorporée dans un appareil oedométrique. Deux anneaux piézo-électriques ont été fixés à la base et au sommet de la cellule de l’odomètre et ont le rôle émetteur et récepteur. Dans cette étude, la technique P-RAT est employée pour obtenir la vitesse des ondes de cisaillement de différents matériaux granulaires avec différentes granulométries. La relation entre la vitesse des ondes de cisaillement normalisée, V[indice inférieur s1], avec l’indice des vides illustre les différents facteurs qui ont une incidence sur la propagation des ondes. Enfin, l’étude vise aussi à établir une relation entre les paramètres à très faibles déformations (G[indice inférieur max]) et ceux à grande déformation (E[indice inférieur eod]).

Nowadays, many environmental and climatic factors such as weathering actions, temperature variation, chemical attacks, abrasion and other degradation processes can cause near surface damage (0.0 m to 0.5 m) to most concrete structures exposed to severe environmental conditions. As such, the spread of such damage and, subsequently, the loss of mechanical properties of materials are very progressive in long term. The main purpose of Multichannel Analysis of Surface Waves (MASW) method is to 1) characterize near surface damage in concrete structures as a nondestructive testing procedure, 2) estimate the thickness of superficial layers and determine shear-wave velocity (V[subscript S]) profiles. The originality of this research is the application of MASW as a non-destructive method for the evaluation of near surface damage in concrete structures. Indeed, major applications of this method are concerning geotechnical applications. Experiments have been conducted on two concrete slabs (0.80 m, 3 m et 3.50 m) at IREQ with different typical simulated near surface pathologies in order to test the accuracy of MASW method. The results demonstrate that the MASW method has a potential to identify the homogeneity of concrete and estimate the thickness of superficial layers in concrete structures.

La vitesse des ondes de cisaillement est généralement mesurée en laboratoire en utilisant des éléments piézoélectriques comme les bender elements (BE). Cependant, ces techniques présentent certains problèmes au niveau de l’émission à la fois des ondes primaires et de cisaillement, les effets de champ proche, les effets de bords, et l’incertitude au niveau de l’interprétation du signal. Une nouvelle technique, baptisée technique des anneaux piézoélectriques (P-RAT) a été développée dans le laboratoire géotechnique de l'Université de Sherbrooke afin de minimiser / éliminer les difficultés associées aux autres techniques, en particulier, la pénétration des échantillons, obligatoire pour la technique BE. Cette étude présente une description de la technique P-RAT ainsi que les résultats des simulations numériques réalisées avec le code informatique COMSOL afin d'étudier l'interaction entre les composantes du P-RAT et l'échantillon testé (sol ou solide). L’étude démontre l’efficacité du concept de la méthode P-RAT et présente des modifications pour améliorer la fiabilité et la performance de la méthode P-RAT afin d’étendre son applicabilité dans le domaine du génie civil. L’implémentation de la dernière génération de P-RAT dans une cellule triaxiale et une autre œdométrique était l’aboutissement de cette étude.

La vitesse de propagation des ondes de cisaillement, V[indice inférieur s], est une propriété caractéristique du sol dans le domaine élastique. Elle est directement reliée au module de cisaillement maximal en ne faisant intervenir uniquement que sa masse volumique. V[indice inférieur s] est mesurée à très petites déformations et en conséquence, il s'agit d'un paramètre qui permet de caractériser le sol d'un point de vue mécanique, sans affecter ses propriétés. L'intérêt de l'utilisation de V[indice inférieur s] comme paramètre de caractérisation géotechnique devient de plus en plus important, surtout avec le développement des méthodes de mesures in situ de ce paramètre, notamment celles utilisant les ondes de surface, qui s'effectuent sans intrusion. Or, pour tirer pleinement avantage des mesures de V[indice inférieur s] in situ, il est essentiel de caractériser en laboratoire les sols en termes de V[indice inférieur s] en fonction des propriétés géotechniques plus usuelles comme par exemple l'indice des vides, la résistance au cisaillement, la contrainte de préconsolidation, etc. Les principales méthodes de mesures de V[indice inférieur s] en laboratoire sont revues.La popularité des bilames piézoélectriques s'explique par la simplicité apparente du concept et de l'appareillage, et par la possibilité d'utiliser ces dispositifs dans la plupart des essais usuels. Les limitations associées à l'utilisation de ces dispositifs sont par ailleurs abordées, tant du point de vue des équipements que de l'interprétation des mesures qui se traduisent par des imprécisions importantes, inacceptables dans une perspective de caractérisation. Il est donc apparu pertinent de proposer une configuration originale d'éléments piézoélectriques et nécessaire d'établir une nouvelle méthode d'interprétation. Des modélisations numériques de même que neuf essais de consolidation dans une cellule oedométrique spécialement équipée d'anneaux piézoélectriques ont permis de développer le concept et de tester différentes méthodes d'interprétation.La méthode d'interprétation proposée reconnaît l'existence d'un déphasage qui doit être pris en compte.La performance du nouveau système est démontrée à l'aide de modélisations numériques et de deux essais additionnels en laboratoire impliquant plusieurs séquences de chargement/déchargement sur deux échantillons argileux différents. Le système proposé permet de mesurer V[indice inférieur s] avec plus de précision et de fiabilité sur un échantillon très court, soit environ 1,5 cm de hauteur, comme ceux normalement utilisés dans un essai de consolidation sur l'argile. Des mesures de V[indice inférieur s] pourront être examinées notamment en fonction de l'état de densité du sol, dans une perspective de valorisation de ce paramètre pour fins de caractérisation.

La caractérisation des matériaux cimentaires au cours du temps est essentielle pour le bon achèvement et le contrôle des constructions de tous genres, afin de prévenir les dégradations et éviter les ruines d’ouvrage. Ce projet de recherche propose l’utilisation des ondes de cisaillement pour mieux caractériser des propriétés physiques et mécaniques de ces matériaux telles que le temps de prise, le module de cisaillement et la ségrégation. Les ondes de cisaillement sont générées par la récente technique des anneaux piézoélectriques (P-RAT). Cette technique développée à l’université de Sherbrooke, est initialement destinée pour estimer le module de cisaillement des sols à partir de la vitesse des ondes de cisaillement. Le P-RAT a été récemment appliqué sur les pâtes de ciment et les mortiers pour déterminer le temps de prise initiale et finale à partir de la dérivée de la vitesse des ondes de cisaillement. L’objectif de cette thèse est d’étendre et d’approfondir l’étude de faisabilité du P-RAT en tant que technique non destructive pour la caractérisation physique et mécanique des pâtes de ciment, des mortiers et des bétons et de valider son applicabilité pour une éventuelle utilisation in-situ. Nous avons étudié plusieurs aspects de traitement de signal, dans le domaine temporel et fréquentiel, pour extraire l’information utile à la caractérisation des matériaux cimentaires à partir des ondes de cisaillement. La relation entre la variation du contenu fréquentiel et le temps de prise initiale et finale des pâtes de ciment et des mortiers a été décelée. La méthode fréquentielle proposée dans ce projet est plus rapide que celle de dérivée de la vitesse des ondes de cisaillement et ne requiert pas une expertise dans le domaine de traitement du signal pour l’exécuter. Les essais au laboratoire ont démontré la performance du dispositif formé de deux capteurs P-RAT de diamètre externe de 16 mm, montés de part et d’autre sur les deux bornes d’un étau de serrage, à mesurer le module de cisaillement de 1 jour à 56 jours. Un modèle de régression linéaire multiple a été développé pour estimer la résistance à la compression à partir du module de cisaillement. En plus, une relation empirique a été obtenue entre le module de cisaillement à 24 h et le module d’élasticité statique à 28 jours qui permet la prédiction de ce dernier dès le jeune âge. La faisabilité de P-RAT pour la caractérisation des propriétés physiques des bétons, notamment le temps de prise et la ségrégation, a nécessité au préalable une étude de l’effet des dimensions des capteurs P-RAT sur la qualité des signaux reçus. Une étude comparative a été menée avec trois capteurs de diamètres différents (16 mm, 22 mm et 35 mm). Cette étude a permis d’identifier la dimension du capteur la plus appropriée pour les bétons. Les résultats ont démontré l’intérêt d’utiliser des gros capteurs de 35 mm de diamètre externe pour obtenir des signaux plus clairs avec un faible rapport bruit/signal. La méthode pic à pic s’est avérée adéquate pour déterminer le temps d’arrivée des ondes de cisaillement et calculer leur vitesse. Le temps de prise des bétons, déterminé avec la méthode de dérivée de la vitesse des ondes de cisaillement, survient plus tôt que celui des bétons tamisés, déterminé à l’aide de l’essai de la résistance à la pénétration. La présence de gros granulats dans le béton favorise la connectivité entre les différentes particules ce qui permet un développement rapide de sa rigidité qui affecte la vitesse des ondes de cisaillement. Finalement, l’étude de la ségrégation de huit bétons autoplaçants avec différents degrés de stabilité a été effectuée avec le P-RAT. L’indice de ségrégation a été déterminé à partir de la variation de la vitesse des ondes de cisaillement à trois hauteurs différentes dans une colonne de béton coulé de 450 mm de hauteur totale. Les résultats montrent que le P-RAT est capable d’évaluer la stabilité des bétons fluides à 10 h et à 24 h après le contact eau-ciment. Les bétons avec un indice de ségrégation à 24 h supérieur ou égal à 0,95 sont considérés comme des bétons très stables. Cette valeur critique correspond à l’indice de ségrégation de 5 % calculé avec la méthode de la colonne de ségrégation appliquée sur le béton frais.