Procédés généraux de construction des quais

Procédés généraux de construction des quais

Procédés généraux de construction des quais
Cours
nfelixardo

Par nfelixardo

Mise à jour le 17-01-2014

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Depuis l’Antiquité, pour franchir un cours d’eau les hommes ont réfléchi à des solutions qui étaient adaptées en fonction de la longueur à franchir. Ainsi, pour une petite distance ils réalisaient ce qu’on peut appeler pont et pour des grandes distances ils ont créé des pirogues pour assurer le déplacement des hommes et des biens qui par la suite seront remplacées par des navires. Par la suite il a fallu créer des infrastructures pour immobiliser les embarcations : c’est le début des infrastructures portuaires.

Les terminaux portuaires (passagers, pétrole, contrôle, vrac solides ...) comportent des ouvrages d'infrastructures appelés aussi ouvrages d'accostages et d'amarrages des navires et des ouvrages de superstructures, pour la manutention et le stockage.

C’est ainsi que dans le cadre du cours de procédés généraux de construction nous avons choisi de présenter la conception et l’exécution des quais.

Le travail est composé de quatre chapitres. Le premier chapitre présente une étude bibliographique des quais en exposant les variantes de quai, leurs fonctions, les forces qui s’exercent sur les ouvrages et les données nautiques, météorologiques et géographiques dans un port. Le second traite de la conception des quais, le troisième traite de l’exécution des quais et enfin le dernier traitant de l’entretien des ouvrages.

 

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Plan du document :

 

Chapitre 1 : Généralités sur les ouvrages d'accostage et d'amarrage

      I. Définition, présentation et fonctions des différents ouvrages d'accostage et d'amarrage
      II. Généralités sur les quais

 

Chapitre 2 : La conception des quais

      I. Les étapes de la conception d'un quai
      II. Dimensionnement théorique d'un quai
      III. Impact environnemental

 

Chapitre 3 : L'exécution des quais

      I. Les quais en blocs de béton
      II. Les quais en caissons
      III. Les quais en parois moulée

 

Chapitre 4 : L'entretien des ouvrages

      I. Les manifestations et causes des malfaçons ou désordres
     II. L'entretien des quais

 

 

Chapitre 1 : Généralités sur les ouvrages d'accostage et d'amarrage

 

 I. Définition, présentation et fonctions des différents ouvrages d'accostages et d'amarrages

 

Réalisés afin de permettre l'accostage et l'amarrage des navires et permettre le transbordement des passagers et marchandises. Ses ouvrages sont conçus en fonction du trafic à desservir : 

• poste pour voyageur 

• poste pour marchandises divers

• postes spécialisés : - poste conteneurs, - poste fruits/primeurs, - poste céréales en vrac, - poste pour masses lourdes et invisibles 

• poste pour pondéreux 

• poste pour hydrocarbures et gaz liquéfiés 

• over ports 

• poste de pêche et poste de plaisance

Leurs premiers rôle est d'offrir un appui aux navires pour accoster, procéder aux opérations commerciales, armement ou réparation et appareiller. 

 

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II. Généralité sur les quais 

 

Par définition un quai est un ouvrage intérieur du port qui assure les fonctions essentielles que sont : 

• Se munir d'un dispositif d'appui pour permettre l'accostage et l'amarrage des navires

• Assurer une liaison entre la terre et le navire qui est assurée par un terre-plein des quais. Le dispositif de liaison suppporte donc une partie ou tout le matériel de manutention servant à la réception et au transport des marchandises ou les voyageurs.

• Soutenir les terres à la limite de l'eau : ce soutien des terres peut faire intervenir l'ouvrage lui-même ou un ouvrage accessoire, par exemple un talus d'enrochement. La liaison n'est pas seulement assurée par l'ouvrage d'accostage mais aussi par les Terre-pleins situés en arrière de l'ouvrage. 

 

1) Les types de quais présentations 

Il existe plusieurs types de quai suivent leurs conditions de mise en oeuvre et de possibilité d'exécution. Certains sont fondés en surface en fonction des conditions géotechniques du site et d'autre en profondeur. 

Nous distinguons deux grandes variantes : 

a. Les quais-poids

• Quais en maçonnerie de pierres ou en béton coulés sur place

Ces types de quais sont conçus sous la forme de murs massifs en maçonnerie de pierre ou en béton de ciment. L'emplacement de l'ouvrage est dragué avant la construction de maçonnerie pour éviter un déséquilibre du sol qui peut déstabiliser l'ouvrage construit (décomposition du sol, risques de glissements du sol).

 

• Quais en blocs de béton

Le mur des quais peut être constitué en bloc de béton, préfabriqués, empilés les uns sur les autres. L'empilage peut s'effectuer aussi par assises imbriquées ou par piles juxtaposées, Ces assises imbriquées permettent d'assurer une meilleure répartition des efforts locaux provenant d'un tassement de la fondation, d'une poussée plus forte, ou de la réaction des amarres. Mais il faut noter que les piles juxtaposées permettent une reprise assez facile de l'ouvrage en cas de désordres limités : les piles produisent un tassement préalable sous chacune d'elles et peuvent ensuite être reprise en position définitive. Cette disposition parait être préférée pour les ouvrages de grande hauteur, d'autant plus que le tassement peut être accéléré par une charge temporaire de chaque pile au moyen de blocs, Les blocs sont de plus souvent de forme parallélépipédique sauf ceux de certaines assises qui comportent des chanfreins du côté du remblai pour former une chaise, ou ceux de l'assise de base qui comportent un patin.

 

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Chapitre 2 : La conception des quais

 

Cette partie constituera à recenser toutes les étapes du projet de conception d'un quai, la théorie du dimensionnement de l'ouvrage et dans une moindre mesure traitera de l'ompact environnemental des quais. 

 

I. Les étapes de la conception d'un quai

 

La conception d’un quai passe par les étapes suivantes :

• Cibler et analyser la nature des fonctions que doivent assurer l'ouvrage : il s'agit de fixe les caractéristiques de l'ouvrage à construire en fonction des besoins. 

• Après une étude topographique, géotechnique, pédologique, climatique et océanique choisir la zone propice pour l'installation. Le choix de la zone dépend également des infrastructures routières desservant la zone. 

• Appliquer sur la zone les divers types de plan de masse en tenant compte des conditions climatiques 

• Après plusieurs essais retenir un plan de situation puis un plan de masse proprement dit et rédiger une notice analysant le programme de réalisation et justifiant les dispositions de l'avant-projet

• Introduire une instruction auprès des autorités compétentes qui doivent approuver l'avant-projet 

• Etablir l'avant-projet sommaire aurpès des études approfondies de topographie, de géotechnique de climatologie, et les adaptations de lavant-projet de plan de masse aux conditions réelles du site choisi 

• En fonction des conclusions auxquelles aboutit l'avant-projet sommaire, mettre au point l'avant-projet détaillé et enfin le projet définitif

Il ne reste plus qu'à choisir les entreprises qui seront chargées de la réalisation. 

 

L'entreprise choisie proposera ses propositions de quai (avec ou sans variantes) et étudiera les aspects théorique de la conception. 

 

 

II. Dimensionnement théorique d'un quai

 

1. Théorie de calcul du mur de quai

Le calcul des quais se fait suivant deux phases,; le calcul de stabilité d'ensemble et le calcul de la stabilité interne. La première nous permet de savoir la stabilité globale de l'ouvrage face aux forces qui lui sont appliquées et la stabilité interne impose aux différents matériaux constituants l'ouvrage un comportement non préjudiciable.

 

 

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III. Impact environnemental

 

Comme les quais sont construits dans un environnement qui est influencé par ce dernier il convient d’étudier l’impact apporté par un tel projet sur l’environnement du site de construction.

L’étude d’impact réalisée dans le cadre du projet doit être menée de façon très exhaustive et doit couvrir adéquatement tous les aspects du projet. Des audiences publiques doivent être tenues afin de bien informer la population et de s’assurer de l’acceptabilité sociale du projet. De plus, le projet doit comporter la préparation d’un plan de gestion environnemental et social (PGES), qui proposera des mesures concrètes de mitigation des impacts, dans une perspective de développement durable. Les mesures proposées seront incluses aux dossiers techniques de réalisation des travaux, et seront donc appliquées par les entrepreneurs responsables de la construction.

Certains volets du projet doivent viser directement à améliorer les conditions environnementales du site, dans une approche de développement durable L’achat de systèmes d’estacades flottantes à déployer en cas de déversement pétrolier devait permettre de mieux protéger l’environnement marin, ce qui s’inscrit également dans une perspective de développement durable.

 

 

Chapitre 3 : L'exécution des quais

 

Dans cette partie compte tenu des informations dont nous disposons nous parlerons de la conception de deux ouvrages massifs (quais en caissons et quais en blocs de béton) et d’un ouvrage avec écran plat (quais en parois moulées).

 

I. Les quais en blocs de béton

 

La conception du mur de quai tient obligatoirement compte de la problématique des tassements différentiels pour minimiser les entretiens. D’où l’idée de la pose des blocs en quinconce (figure 11). Cette technique de pose des blocs aide la structure à travailler d’une façon monolithique de manière à ce que le tassement, d’un linéaire donné des blocs de base, se traduise en surface sur une longueur plus importante et avec une moindre amplitude. La conception du mur de quai se veut aussi optimale puisque la géométrie des blocs n’est pas uniforme de haut en bas. En effet, le concepteur a tenu compte de l’effet stabilisant de l’épaulement lorsque celui-ci s’appuie verticalement sur les 4 premiers blocs à partir de la base (figure 12). Certes cette méthode impliquera des coûts de coffrage plus important car la géométrie des blocs n’est pas identique mais ce coût est largement gagné par l’économie réalisé sur la quantité de béton

 

1. Confection des blocs

Le béton est produit par les centrales à béton situées à proximité de la zone de préfabrication et transporté par des camions malaxeurs puis coulé directement par leurs goulottes dans les coffrages métalliques constituant les moules des blocs de quai(figure 13).

Ces coffrages sont préparés (huile de décoffrage, joints d’étanchéité, …) à l’avance pour garantir la fluidité de l’opération de bétonnage. Une fois l’opération de bétonnage achevée, une équipe de finisseurs prennent en charge le bloc bétonné pour la finition de sa surface supérieure et l’application du produit de cure. Le décoffrage s’effectue 24 heures après et les moules sont déplacés sur les bases libres suivantes pour être préparés et bétonnés. Les surfaces des blocs décoffrés sont traitées au produit de cure et chaque bloc reçoit à la peinture une indexation portant le numéro et le type de bloc ainsi que la date du bétonnage. La manutention des blocs est effectuée à l’aide de la pince de levage dont l’ouverture et la fermeture et commandée par le grutier (figure 14).

 

2. Préparation de la fondation et mise en place des blocs

• 1. Moyens matériels 

La préparation de la fondation et la pose des blocs sont effectués par la succession de 4 ateliers maritimes, ayant chacun un rôle bien précis. Les ateliers sont composés comme suit : 

 

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• 2. Méthodologie 

 

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II. Les quais en caissons

 

1. Renforcement du sous-sol marin

Il s'opère par des colonnes ballastées et des drains verticaux si le site est situé sur une zone sismique. 
Elle est suivie d'une consolidation au droit des ouvrages par pré chargement de terrain, après stabilisation du tassement la surcharge est élevée. 

 

2. Mise en place du remblai

Un remblai rocheux, par clapage au droit du sol renforcé est mis en place, le remblai est déversé par passes de 3 m d'épaisseur maximum, avec contrôle bathymétriques, les matériaux proviennent de carrières distantes de 10 à 45 milles nautiques du site, près desquelles ont été construits des appontaments provisoires de chargement; les barges sont soit automotrices, soit tractées par remorqueurs. 

 

3. Mise en place de la couche de forme

Une couche de forme de 0,10 à 0,40 m d’épaisseur est appliquée au-dessus du remblai pour permettre l’égalisation avant la pose des caissons définitifs ; la réalisation se fait par plongeurs avec des châssis guides immergés et un outil racleur.

En parallèle, les caissons alvéolaires en béton armé sont préfabriqués sur le chantier; au bout de cet appontement, un portique métallique permet la mise en place des coffrages, et un système de 8 vérins manutentionne la plateforme supportant le caisson en construction ; une fois le radier coulé, les cellules sont bétonnées à l’aide d’un coffrage glissant ; au fur et à mesure du séchage du béton la plateforme vérinée est immergée.

 

4. Mise en place des caissons

Les caissons sont tractés par un remorqueur du lieu de stockage provisoire jusqu’à la zone de mise en place ; la flottaison est contrôlée par des opérations de déballastage ; la mise en place se fait après amarrage le long d’une barge positionnée par GPS, et ballastage contrôlé des différentes cellules en béton armé de chaque caisson.

Après pose sur la couche de forme, chaque cellule de caisson est partiellement remblayée en matériau 0,1-100 Kg ; cette opération est réalisée à la benne preneuse à partir d’une grue sur barge ; les tassements des caissons sont contrôlés par topographie. Les cellules individuelles des caissons sont ensuite fermées par des dalles de béton préfabriqué. Derrière les caissons du mur de quai une première phase de remplissage est réalisée avec un matériau volcanique (pumice) de densité inférieure à 1 pour limiter la poussée des terres. On termine ensuite les opérations de finition sur les ouvrages (joints entre caissons, radier BA, pose des apparaux, enrochements de protection…)

 

III. Quais en parois moulées 

 

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Chapitre 4 : L'entretien des ouvrages

 

Les quais génèrent un entretien qui rapporté à l’année peut être de l’ordre de 2 à 5 % de l’investissement de départ. En réalité un contrôle poussé de l’état des ouvrages est effectué tous les 10 ans, sur les quais qui sont dimensionnés pour durer une centaine d’années. Les interventions ont en général lieu sur des fractions d’ouvrages, et il n’y a pas de cadence type pour les opérations d’entretien. Pour parler des différentes corrections exécutées sur les ouvrages il est nécessaire de voir les manifestations et causes des malfaçons ou désordres.

 

I. Les manifestations et causes de malfaçons ou désordres

 

Les causes de malfaçons et les désordres qui peuvent en découler, affectant les quais, sont multiples et de niveaux de gravité très variables. En toute logique la "remise" de l'ouvrage, au gestionnaire après sa construction et sa réception, doit permettre son exploitation telle que prévue : c'est dire que les facteurs de désordres ou les désordres qui vont être évoqués dans toute leur généralité, du moins pour les plus importants, sont normalement décelés avant réception, et font l'objet de mesures pour y remédier. Il peut cependant subsister des facteurs de désordres ou des désordres non décelables lors de la réception.

Les principales causes de désordres peuvent être classées comme suit : 

• désordres liés à la conception ; les désordres qui peuvent apparaître de ce fait sont en général les conséquences d’une mauvaise évaluation des contextes géotechniques et hydrogéologiques (reconnaissance insuffisante et interprétation incomplète) Cela peut se traduire par une sous-évaluation des efforts transmis à la paroi et à certains éléments constitutifs du fait d'une surestimation des caractéristiques mécaniques du sol ; la présence de l'eau aggrave cette sous-évaluation (relation nappes-marée),

• un mauvais choix des matériaux constitutifs vis-à-vis des eaux de la nappe,

• lors de l'exécution ; les causes de malfaçons les plus souvent rencontrées à ce stade sont : 

-une mauvaise prise en compte des phasages en construction, 

-la non-conformité aux plans

-une implantation incorrecte et une mauvaise exécution des joints entre panneaux

-une mauvaise mise en oeuvre du béton, avec inclusions de sol ou boue suite à une rupture du bétonnage sous la boue

-une protection insuffisante des armatures

• pendant la vie de l'ouvrage :

-les conditions d'exploitation peuvent conduire à des modifications au niveau des charges transmises à l'ouvrage, en particulier sur les terres-pleins, 

-un sur dragage d'entretien inopportun conduisant à une diminution sensible de la butée, avec ses conséquences, 

-les tassements des remblais de terre-plein sur des sols compressibles, entraînant une déformation des tirants d'ancrage non compatibles avec leur fonctionnement normal,

-les attaques et altération par le milieu environnant,

-les défauts d’entretien des défenses pourront conduire à des avaries lors de l’accostage des navires,

-enfin de mauvaises conditions d'entretien, telles que la remontée progressive d'une nappe d'eau arrière qui doit être rabattue en permanence

Les causes de désordres ou malfaçons constatées trouvent donc leur origine dans des défauts ou altérations atteignant des parties d'ouvrage directement visibles, mais aussi dans des défauts ou dégradations de parties non visibles, comme par exemple des tirants d'ancrages.

 

1. Implantation incorrecte et déviation des quais

Il y a lieu d'attirer l'attention sur l'importance de la qualité de réalisation de la murette guide et de la tranchée guide qui peut affecter celle de la paroi elle-même, quant à sa verticalité et sa continuité.

 

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2. Les hors profils 

Les sur volumes de béton se manifestent par des hors-profils sur les deux faces des panneaux. Ils ne constituent pas vis-à-vis de la résistance mécanique un inconvénient mais peuvent être indésirables, voire gênants surtout s'ils apparaissent sur la partie hors sol du quai côté bassin. De tels hors-profils sont à traiter puisqu’ils présentent un risque pour les navires. Les tolérances imposées pour la construction règlent normalement ce type de problèmes, qui ne constitue en principe plus un objet particulier d'attention ultérieure, pour le gestionnaire. Il est néanmoins utile de rappeler les conditions de formations des hors profils, qui sont liés à plusieurs facteurs lors de la mise en oeuvre, et dont la présence peut être concomitante avec des défauts déjà évoqués. Le béton hors profil remplit des excroissances dans le terrain, provenant de l'effondrement local de celui-ci, du fait d'une maîtrise non conforme de tous les facteurs nécessaires à une bonne exécution, dont on rappelle les plus importants :

• qualité insuffisante de la boue 

• Sur hauteur insuffisante de la boue, vis-à-vis des plus hauts niveaux piézométriques rencontrés au cours du forage 

• sol particulièrement instable (dont remblais préalables insuffisamment traités, présence de gros blocs)

 

 Si les effondrements de terrain se produisent en cours de bétonnage ils génèrent des poches "polluées" qui se trouvent piégées. Le constat de hors profils constitue donc l'indice de possibles zones de mauvais bétons dans la paroi. 


3. L'étanchéité et les joints entre panneaux

 L'étanchéité, la continuité, le fonctionnement de la paroi ne sont classiquement assurés que si le procédé d'exécution peut garantir la réalisation des joints entre panneaux. De ce point de vue, il est important de savoir que ces fonctions ont vu leurs performances améliorées avec l'évolution des techniques de réalisation et des outils. Le procédé utilisé pour réaliser la paroi est donc un élément essentiel dans la compréhension des défauts aux/entre joints.

 

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II. L'entretien des quais

 

L'entretien qui consiste dans les opérations ayant pour but d'éviter ou de ralentir la dégradation des matériaux constitutifs d'ouvrage, se distingue en principe des opérations qui ont pour but de réparer l'ouvrage. Il faut cependant noter que la limite entre entretien et réparations est mal définie et ne représente guère d'intérêt, sauf à définir de manière précise l'origine des dégradations, conduisant à l'entretien ou la réparation, de même que l'ampleur de ces opérations. On assimilera donc ceux-ci à un concept unique ; il est évident qu'un quai qui donnerait des signes de faiblesses telles qu'il soit nécessaire de le conforter par des tirants sort du cadre de l'entretien, qui sera le terme utilisé indifféremment avec celui de réparation. Il est en tout cas évident que s'il s'agit par exemple d'augmenter les performances du quai, les travaux qui en résultent seront l'objet d'études spécifiques préalables.

L'entretien a finalement pour objet le maintien du niveau de service de l'ouvrage et de la garantie de la durée de vie qui est envisagée pour chacun des éléments qui constituent le quai. L'entretien qui relève d'une évaluation économique et technique sera d'autant plus efficace que dès la conception de l'ouvrage, le service gestionnaire est étroitement associé au bureau d'études et au service des travaux neufs. Les échanges d'information entre les différents services permettent en particulier de tenir compte de l'acquis dans les techniques éprouvées d'entretien (conditions d'accès, aptitude à la réparation), mais en même temps de prendre en compte les techniques innovantes.

Pour les quais en parois moulées, l'entretien spécifique à cette technique porte essentiellement sur le béton armé, et les têtes d'ancrages des tirants.

Si l'entretien, comme indiqué, maintient le niveau de service, il doit également porter sur l'aspect général de l'ouvrage, ce qui ne peut que faciliter son suivi et maintenir l'attention des usagers et des agents chargés de sa surveillance.

 

1. Peinture et nettoyage

On notera à ce sujet que sur les bétons, l'élimination des salissures n'est pas systématiquement nécessaire, car elle peut s'avérer néfaste en conduisant à l'arrachement du béton et à la mise à nu d'aciers.

Si des peintures anti-salissures sont utilisées, leur lavage à l'eau sous pression doit être effectué tous les deux ans.

Dans la mesure où une mise en peinture des parties en béton émergées ou périodiquement immergées est prévue, celle-ci demande un décapage préalable, un lavage à l'eau douce et un passage de deux couches de brai polyuréthanne ; cette mise en peinture ne concerne jamais la paroi proprement dite, mais uniquement et c'est assez rare, les parties de béton armé coffrées (poutre de couronnement essentiellement)

 

2. Le ragréage du béton de la poutre de couronnement et de partie de la paroi, hors d'eau

 

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3. La réparation de la paroi, sous l'eau

Cette réparation concerne dans la majorité des cas, la réparation des joints entre panneaux. Les joints entre panneaux, comme il a été dit dans le chapitre les concernant, ont un rôle évidemment très important vis-à-vis de l'aspect étanchéité surtout dans des bassins de marée soumis au marnage.

Le défaut d'étanchéité peut s'accompagner du passage des grains de sable ou limon, et peut conduire à des affaissements, en forme de cheminées, du terre-plein juste à l'arrière des joints défectueux. Le danger est réel, car les terre-pleins sont revêtus et la rigidité des couches de surface peut masquer l'apparition progressive d'un vide, qui peut s'effondrer subitement. L’instant auquel on peut repérer la faiblesse des joints peut se situer très tôt ou très tardivement dans le temps, en fonction de la gravité des défauts et des manifestations qui en découlent. Certains sont repérables dès les premières phases de terrassement, celles correspondant par exemple à la réalisation de la poutre de couronnement ou à la réalisation, à niveau plus bas, d'une nappe de tirants.

Enfin, ce peut être lors de la phase de dragage en avant du quai, par le constat d'un affaissement à l'arrière du quai.

Enfin, ce peut être par un contrôle par des plongeurs, à l'aide d'une simple barre métallique enfoncée manuellement au droit du joint et pouvant révéler un vide traversant. Il est bien entendu évident que, à défaut de ces constats, le fait de voir de l'eau s'écouler au niveau des joints est la preuve d'un défaut de ceux-ci.

L'ensemble de ces observations se situe au moment de l'exécution du chantier. Mais un constat correct ne signifie pas l'absence d'une défaillance de joints, dont la très mauvaise qualité peut se trouver masquée par exemple par des excroissances (cornée) de béton plus ou moins pollué, et dont la présence superficielle au droit du joint a été expliquée dans le chapitre concernant ces joints.

C'est dire, que les réparations à effectuer au niveau des joints seront généralement du ressort du maître d'oeuvre de l'opération, lors de l'exécution des travaux. Mais on ne peut exclure que celles-ci, par suite d'une attention insuffisante ou simplement par dégarnissage des excroissances dégageant les joints défectueux et les rendant visibles, ne soient à effectuer ultérieurement par le service gestionnaire.

Plusieurs techniques ont été utilisées avec des succès divers qui conduisent maintenant à en exclure certaines.

 

 

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4. Entretien des têtes de tirants

Le niveau des têtes d'ancrage des tirants se situant presque toujours dans des niveaux aquifères, l'étanchéité doit être assurée dans les meilleures conditions possibles afin d'éviter la corrosion des câbles au niveau des mors d'ancrage; En cas de constat de comportement anormal, par exemple suintements ou écoulements au travers des têtes, le démontage des capots, et l'injection de résine après forage dans le coulis au travers du bloc d'ancrage, peut constituer une solution a priori efficace. Les coulis de très faible viscosité, permettent d'emprunter les cheminements suivis par l'eau, et gonflent en présence d'eau même saumâtre. A l'occasion de telles remises en état, il peut s'avérer nécessaire de changer les capots de protection, eux-mêmes protégés par une résine anticorrosion.

 

5. Entretien des équipements et ouvrages divers

Les équipements ou ouvrages divers contribuent à la fois au bon fonctionnement et à la bonne exploitation de l'ouvrage et demandent donc une attention et un entretien appropriés ; ils sont souvent sans incidence sur le comportement de la paroi.

 

 

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