Document technique : Construction de pieux à l'aide d'un fluide de support polymère au pont Gull Wing, Lowestoft

Oct 30, 2023

Par Alex Wallis-Evans et Duncan Nicholson, Arup ; Henry Spinks-Essam, KB International ; et Steven Heaney, Quinn Piling

L'aile Gull est une nouvelle traversée de 350 m de long du lac Lothing à Lowestoft avec un pont basculant roulant de 39,5 m de long, qui s'ouvre et se ferme à l'aide de vérins hydrauliques (voir Figure 1). Le tablier du pont mesure jusqu'à 22 m de large et supporte une chaussée unique avec des voies piétonnes et cyclables combinées de chaque côté. Le pont traversant et les remblais d'approche de chaque côté seront reliés au réseau routier existant et réduiront la congestion du trafic dans la ville associée aux courtes périodes d'ouverture du pont existant pour permettre le passage des navires.

La bascule roulante sera le plus grand pont mobile de ce type au monde actionné par des vérins hydrauliques. Le client du projet est le conseil du comté de Suffolk et l'entrepreneur principal est Farrans Construction. Arup est le concepteur principal.

Les structures Gull Wing comprennent un viaduc d'approche sud, un viaduc d'approche nord et un pont basculant roulant (Kanaris, 2022). Deux des piliers du pont, le pilier 4 (P4) et le pilier 5 (P5), sont situés au-dessus de l'eau et sont soutenus par des pieux forés rotatifs en béton armé de 1,08 m de diamètre. Quinn Piling était l'entrepreneur spécialisé en pieux et a à son tour nommé KB International pour fournir sa technologie innovante de boue de polymère synthétique sur ce projet.

La disposition du batardeau temporaire à pieux combinés de la jetée 4 est illustrée à la figure 2. Le batardeau est formé à l'aide de tubes en acier de 1 220 mm de diamètre extérieur qui servent également de coffrages temporaires pour la construction de pieux forés et de palplanches. Les tubes à parois combinées restent en place pour faire partie des piliers permanents du pont des travaux et soutenir la protection des défenses.

Les conditions du sol aux emplacements du quai 4 ont été interprétées à partir des informations de forage obtenues lors de l'étude du site de 2019. Le trou de forage, BH02A, a été achevé à l'emplacement de la jetée 4 et a été utilisé pour établir les conditions du sol pour la conception des pieux forés rotatifs. La figure 3 montre la stratigraphie interprétée de BH02A.

La figure 3 montre également le profil de test de pénétration standard (SPT) pour BH02A. Certains des faibles résultats SPT dans BH02A peuvent être associés à des "sables soufflés" rencontrés lors de l'excavation du trou de forage. Un fluide de support a ensuite été utilisé pour équilibrer les pressions des eaux souterraines et stabiliser le forage.

Les propriétés du sol adoptées pour la conception sont résumées dans le tableau 1.

Tableau 1 : Profil et propriétés du sol

La figure 4 présente les courbes granulométriques pour le groupe Crag, montrant un sable moyen uniformément calibré avec généralement moins de 15 % de limon et d'argile et moins de 5 % de gravier. À titre de comparaison, les cotes publiées pour les tests effectués sur Thanet Sand dans le cadre du projet Crossrail à Londres (Menkiti, et al, 2015) sont également tracées. Des pieux ont déjà été construits à Thanet Sand à l'aide de fluides de support KB Polymers et des tests de charge ont été effectués, comme indiqué par Lam, Troughton, Jeffries et Suckling, 2010.

Le lac Lothing est situé dans le port intérieur de Lowestoft. Le niveau d'eau est influencé par la marée et la fluctuation normale est d'environ 2 m. On suppose que le groupe Crag est relié hydrauliquement au niveau de l'eau de mer.

L'amplitude des marées peut être considérablement plus grande aux marées vives et lors d'événements de raz de marée (inondations). À Lowestoft, le niveau de la marée haute astronomique (HAT) est enregistré à +1,48 mOD, tandis que la source moyenne des hautes eaux (MHWS) est de +1,08 mOD (National Oceanography Center (NOC), 2022). Les marées montantes peuvent également augmenter le niveau de l'eau. Pour tenir compte de ces effets, le niveau HAT a été utilisé pour évaluer le niveau de fluide dans la pile.

Les pieux supportant la jetée 4 du passage à niveau sont soumis à une charge statique importante lorsque la bascule roulante est en position «fermée» et à une charge cyclique importante lorsque le tablier du pont roule d'avant en arrière pour permettre aux navires de passer. Le pont est conçu pour une moyenne de 10 ouvertures par jour tout au long de sa durée de vie de 120 ans. Par conséquent, la conception des pieux du pilier 4 a pris en compte la capacité axiale pour les conditions de chargement statiques et cycliques.

Les pieux Pier 4 conçus ont un diamètre de 1 080 mm, avec des niveaux de pied allant de -32,5 mOD à -62,5 mOD, intégrés dans le Crag Group. Il n'est pas possible d'installer un tubage temporaire sur toute la longueur à cette profondeur, c'est pourquoi les pieux ont été conçus comme des pieux forés rotatifs en béton armé à construire sous un fluide de support polymère. La conception a envisagé l'installation d'une structure temporaire de batardeau à pieux combinés composée de tubes en acier battus alternés et de palplanches jusqu'à une profondeur d'orteil de -14mOD avant l'installation des pieux forés rotatifs. (Voir figures 1 et 2). Les tubes en acier agissent comme un tubage pour permettre la construction des pieux forés rotatifs. Les tubes en acier ont un diamètre extérieur de 1 220 mm et une épaisseur de paroi de 25,4 mm. Le niveau de coupure du béton des pieux forés rotatifs est de -5,425 mOD.

Il n'était pas prévu d'effectuer un essai de construction de pieux ou un test de charge de pieux préliminaire/contractuel. Par conséquent, il était crucial de convenir d'une méthode de construction de pieux avec des points de contrôle clairs pour vérifier la qualité de la construction. Des évaluations des risques ont été effectuées sur le processus de construction des pieux et des mesures d'atténuation ont été élaborées. Le régime d'essai des polymères a été convenu lors de la production de l'énoncé de la méthode d'empilage. Les critères suggérés pour la performance des polymères étaient basés sur les recommandations du tableau C20.2 de la spécification ICE pour les pieux et les murs de soutènement intégrés (Sperw), (Institution of Civil Engineers, 2016).

Certains des risques de construction sont énumérés ci-dessous :

Les concepteurs de pieux ont utilisé les résultats des tests de pieux et l'expérience de construction d'autres sites avec des conditions de sol similaires pour compléter la conception. Un énoncé de méthode complet a été élaboré pour atténuer les risques de construction. La tenue de registres détaillés a été convenue pendant la construction pour vérifier les procédures d'empilage. La durée de construction autorisée a été assouplie de 12 heures après Sperw à 72 heures dans les spécifications du projet sur la base d'expériences antérieures (Lam, Troughton, Jeffries et Suckling, 2010).

Pour construire les pieux forés, un tablier en acier temporaire a été installé au-dessus de chaque batardeau sur des pieux en acier battus temporaires de 610 mm de diamètre. Le niveau du pont pour le Quai 4 était de +3,0 mOD. Le niveau supérieur du tube d'acier permanent était de +2,5 mOD. Des tubages temporaires ont été fixés à ces tubes en acier pour étendre le niveau supérieur du tubage à +4,2 mOD afin de permettre au niveau de fluide de s'étendre suffisamment haut pour que la pression de fluide nette minimale puisse être maintenue. Cela comprenait également une allocation pour les effets des marées montantes.

Le fournisseur de polymères a conseillé une pression de fluide nette minimale de 1,5 m au-dessus de HAT. Pour permettre l'extraction du godet de forage une surépaisseur totale de 2m a été mise en place. Un réservoir de compensation a été utilisé pour maintenir le niveau de fluide à niveau lors de l'extraction du godet de forage et lors des fluctuations de la marée. L'installation a été conçue de manière à ce que cela puisse être surveillé en observant le niveau de liquide dans le réservoir de compensation. La figure 3 montre une coupe transversale illustrative du polymère mis en place.

Le forage BH02A a identifié des couches de coquillages de la taille de gravier, c'est pourquoi KB a adopté une valeur d'entonnoir Marsh élevée pour réduire l'infiltration. Le système KB Polymer contient des additifs – Kobbleblok et Magma-fiber – qui peuvent être utilisés pour réduire le débit dans les sols perméables. KB a dispensé une formation aux opérateurs de pieux et aux représentants des clients sur l'utilisation appropriée de ces additifs et a également fourni des conseils sur les méthodes d'échantillonnage et d'essai des polymères au cours de la première semaine de forage.

Il y avait un risque que le polymère soit contaminé par du sable pendant le forage. Cela pourrait entraîner l'accumulation d'un gâteau de filtration épais sur l'arbre du pieu, ce qui réduit le frottement de l'arbre du pieu.

Pour atténuer ce risque, la teneur en sable a été surveillée en échantillonnant et en testant le polymère lors de l'excavation du pieu et a été maintenue en dessous d'une teneur en sable de 0,5 %. De même, les valeurs de l'entonnoir Marsh ont été maintenues au-dessus de 90 secondes pour minimiser l'écoulement de polymère hors du tas.

Le pH a également été enregistré régulièrement. Le forage a été effectué très lentement pour permettre au sable de se déposer et de minimiser le brassage du sable en suspension. Le cahier des charges du projet prévoyait que des tests de perte de fluide soient effectués si la teneur en sable dépassait 2 % lors du creusement ou si le pieu dépassait le temps de construction autorisé. Le but du test de perte de fluide était d'évaluer l'accumulation de gâteau de filtration dans ces conditions.

Les longueurs de pieux pouvaient atteindre 60 m, ce qui signifiait que les pieux devaient rester ouverts pendant la nuit et jusqu'à trois jours. Le travail de nuit n'était pas autorisé en raison de la réglementation sur le bruit. Pour atténuer cet effet, la base du pieu a été maintenue à 2 m au-dessus du niveau du pied final et nettoyée le lendemain. La baisse du niveau de liquide a été enregistrée régulièrement pendant la nuit et complétée au besoin.

Il y avait très peu de possibilités d'augmenter la longueur du pieu car la barre Kelly était presque sur toute sa longueur. De même, la disposition des pieux utilisait les tubes du mur du batardeau comme enveloppes temporaires pour les pieux, ne laissant que des tubes de rechange pour des pieux supplémentaires aux coins du batardeau. Des pieux supplémentaires à l'intérieur du batardeau seraient difficiles à installer à court terme.

Pier 4 est situé à environ 30m du rivage. Cela signifiait que le béton trémie devait être pompé vers la trémie trémie. Le béton Tremie a été mis en place en utilisant la méthode de mise en place humide consistant en un bouchon de vermiculite enveloppé d'un ruban plastique, comme recommandé dans le Guide Tremie de la Fédération européenne des entrepreneurs en fondations et de l'Institut des fondations profondes (EFFC/DFI, 2018).

Le godet d'excavation avait une dérivation de fluide pour éviter les réductions de pression sous le godet pendant l'extraction. Un seau de nettoyage à base plate a été utilisé pour le nettoyage final de la base. Deux trous de forage ont été creusés dans le godet de creusement pour permettre au polymère de s'écouler lors de la dernière étape d'extraction. La figure 5 montre un exemple des godets d'excavation et de nettoyage utilisés sur le projet Gull Wing. L'essai de dureté de base a été entrepris en utilisant une plaque d'acier de 100 mm sur 100 mm de diamètre conformément à Sperw. La plaque a également été utilisée pour enregistrer le niveau de la base du pieu afin de vérifier que l'effondrement du puits et la sédimentation des matériaux fins dans le fluide de forage ne se produisaient pas.

Un dispositif d'inspection du fond de puits foré (DID) (DMY Inc, 2016) développé par le président de DMY, John Ding, a été utilisé pour inspecter la dureté de base du premier pieu, dans le but de se calibrer par rapport à la plaque d'acier. Le DID n'a pas pu être utilisé pour les pieux suivants en raison d'un problème de fuite. Par conséquent, des données insuffisantes ont été collectées pour permettre l'étalonnage.

La diagraphie sonique a été spécifiée sur les cinq premiers pieux pour démontrer que la méthode de construction n'a pas entraîné d'inclusions significatives dans le béton du pieu.

Figure 5 : Exemple de godet de creusement et de nettoyage

Les résultats des enregistrements de routine du site pour le fluide de support sont résumés dans les figures 6, 7 et 8 pour le quai 4.

Les points suivants sont notés :

Lors de la construction du pieu foré rotatif P4-7, des conditions météorologiques imprévues ont retardé le processus de creusement. Il en est résulté que le forage du pieu a été laissé ouvert pendant 10 jours sous un fluide de support polymère, à une profondeur de -46,5 mOD. Lorsque les pieux sont laissés ouverts, un «gâteau de filtration» peut se former en raison d'une accumulation de particules de sable et de limon provenant de fluides de support sales sur l'arbre du pieu. Ceci est connu pour être la principale cause de la réduction du fût du pieu.

L'accumulation de gâteau de filtre est plus importante avec un fluide de forage à base de bentonite qu'avec un fluide polymère propre et il existe peu de recherches disponibles montrant l'impact des polymères sales sur le frottement de l'arbre. Il était donc très important de montrer que le fluide polymère restait propre tout au long du processus de forage. Un examen des données d'essai de charge de pieux disponibles montre généralement des données pour des pieux ouverts pendant moins d'une journée, le pire des cas étant laissé ouvert pendant 48 heures sous un fluide de support polymère (Lam, Troughton, Jeffries et Suckling, 2010), (Lam, Jefferies et Martin, 2014), (Lam, Jeffries, Suckling et Troughton, 2015). impact sur le frottement de l'arbre.

Une deuxième pile, P4-15, a également été retardée pendant une période prolongée. La pile a été en attente pendant neuf jours à une profondeur de -45,0 mOD et la même méthodologie d'observations et d'essais sur site a été entreprise que P4-7.

Environ 2 kg de Kobblebloc et de Magma-fibre ont été ajoutés à P4-7 et P4-15 au début des retards par mesure de précaution pour sceller le groupe Craig et éviter toute perte de liquide inattendue.

Le niveau de liquide dans le réservoir de compensation était fréquemment mesuré afin de pouvoir calculer le taux de perte de liquide dans les pieux. La figure 9 montre que la perte cumulée de fluide P4-7 du tas est de 12,80 litres/m2 de surface du tas sur la période de 10 jours. La perte de liquide P4-15 est enregistrée à 11,30 litres/m2 sur la période de neuf jours.

La perte de fluide a également été utilisée pour évaluer la distance d'infiltration du polymère dans P4-7. Sur la base de la porosité du groupe Crag, la distance d'infiltration a été calculée à 45 mm, et par conséquent le gradient hydraulique net de la pression du fluide est raide et le renversement du puits du pieu est peu probable.

Des échantillons fréquents ont été prélevés et des tests en entonnoir Marsh ont montré que pour les deux piles, la viscosité du polymère était principalement maintenue au-dessus des exigences de spécification de la limite inférieure de 90 secondes. La viscosité a été maintenue élevée (> 100 secondes) pour contrôler le taux d'infiltration et assurer la stabilité de l'alésage. Pour P4-7, la teneur totale en solides a été maintenue en dessous de 1 % et on a observé qu'elle diminuait avec le temps en raison de la sédimentation des matières en suspension. Pour P4-15, la teneur en sable était légèrement supérieure, atteignant un maximum < 1,25 % ; cependant, cela est resté dans les limites des spécifications.

Les niveaux de base des piles et les lectures de dureté de base ont été effectués plusieurs fois par jour à l'aide de la plaque d'acier de dureté de base. Le niveau de base de P4-7 n'a pas changé, ce qui signifie qu'il n'y a pas eu de sluffing sur les côtés. L'accumulation de niveau de débris à la base du pieu était inférieure à 120 mm pour P4-15 au cours de la période différée, à un rythme d'environ 33 mm par jour, potentiellement en raison de la teneur en sable légèrement plus élevée tombant de la suspension. Il n'y a pas eu d'augmentations rapides qui refléteraient l'effondrement du puits. Cela a montré que l'arbre était stable.

Un test de perte de fluide de deux heures a été entrepris à 100 psi pour les deux pieux. La perte de fluide mesurée à partir du test P4-7 était de 12,5 litres/m2, ce qui était comparable à la perte de fluide mesurée à partir de la baisse du niveau de fluide dans le réservoir de compensation, 12,80 litres/m2. La perte de fluide mesurée à partir du test P4-15 était de 9,98 litres/m2, ce qui était comparable à la perte de fluide mesurée à partir de la baisse du niveau de fluide dans le réservoir de compensation, 11,30 litres/m2. Les photographies du papier filtre à la fin des tests étendus sont présentées sur la figure 10. Celles-ci montrent qu'une accumulation négligeable de débris a été observée sur les deux papiers filtres. Cela a donné l'assurance qu'un gâteau de filtre épais ne s'accumulait pas sur la paroi du tas.

Sur P4-7, les résultats des essais et des observations sur le site ont confirmé qu'il n'y avait qu'une mince accumulation d'épaisseur de gâteau de filtre sur l'arbre et que la réduction potentielle de l'arbre était probablement très faible. Cependant, comme le frottement de l'arbre ne pouvait pas être mesuré directement et qu'il n'y avait pas de données publiées pour confirmer l'effet du long temps d'ouverture sur le frottement de l'arbre, une approche conservatrice a dû être adoptée. Il a été supposé qu'une dégradation de 50 % du fût du pieu s'était produite entre le bas du tubage -14,0 mOD et la profondeur du pied pendant le repos -46,5 mOD. En conséquence, la pointe du pieu de conception a été allongée de 10 m, passant de -52,5 mOD à -62,5 mOD. La partie étendue du pieu n'était pas renforcée.

Sur P4-15, selon la méthodologie appliquée à P4-7, la longueur supplémentaire de pieu requise pour P4-15 était de 8,0 m. Cela a abouti à un niveau de pointe de -70,45 mOD. L'usine et l'équipement sur site ne pouvaient atteindre qu'un niveau de pied de -65mOD sans modifications, et il a donc été décidé d'étendre P4-15 et les deux piles adjacentes à un niveau de -65,0mOD.

Il est évident que la technologie des polymères évolue rapidement et que l'utilisation de polymères pour les projets de pieux devient de plus en plus courante. Cependant, les opinions sont encore partagées quant à son utilisation dans l'industrie.

L'expérience de Gull Wing a démontré une méthode pour maintenir un forage de pieu stable à une profondeur significative, dans des conditions granulaires, pendant une période prolongée (> 10 jours).

Les résultats des tests de polymère montrent que la teneur en sable du tas peut facilement être maintenue très basse et que les particules de sable se déposent très rapidement de la suspension, éliminant ainsi le besoin de laisser les tas toute la nuit pour nettoyer le polymère. Les résultats montrent également que la viscosité du polymère se dégrade avec le pompage. Cela pourrait être amélioré en utilisant des pompes volumétriques conçues pour les fluides fluidifiants non newtoniens tels que les pompes à membrane, à lobes rotatifs ou à tuyau.

À l'heure actuelle, bien que ces pompes soient disponibles, il existe actuellement une pénurie de solutions disponibles et testées sur le marché de la location au Royaume-Uni. Des pompes à membrane sont disponibles, bien qu'elles soient généralement très bruyantes et ne fournissent pas un débit adéquat.

Les observations de l'échantillonnage des polymères indiquent que les critères conseillés par Sperw peuvent être améliorés pour assurer une meilleure performance des fluides polymères. Les limites supérieures de la teneur en sable pourraient être réduites et la limite supérieure du temps d'entonnoir Marsh pourrait également être augmentée. Le test de matières solides totales doit être introduit pour une teneur en sable inférieure à 0,5 %.

Le test de perte de fluide n'est pas requis pour les polymères dans Sperw et le guide EFFC/DFI Tremie. Cependant, le test peut être utilisé pour évaluer l'épaisseur très fine du gâteau de filtration tel qu'utilisé à Gull Wing.

Les mesures de perte de fluide du pieu peuvent être utilisées pour le calcul de la distance d'infiltration du polymère. La très faible accumulation de débris sur la base du pieu peut être utilisée pour montrer que le fût du pieu reste stable.

Le test de perte de fluide étendu de l'American Petroleum Institute (API) peut être utilisé pour montrer qu'un gâteau de filtration ne s'accumule pas sur de longues périodes. Un manque de développement du gâteau de filtration entraînerait une faible réduction du frottement de l'arbre du pieu ; cependant, il n'y a pas de données d'essai de pieux pour prouver cette théorie.

L'examen de la littérature sur les temps d'ouverture des pieux en polymère montre une nette lacune dans la recherche. L'industrie pourrait bénéficier de données d'essais de charge de pieux pour des pieux dans différents matériaux laissés ouverts pendant une période prolongée. Cela devrait être lié à des essais en boîte de cisaillement en laboratoire sur le matériau du gâteau de filtration.

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