Geotechnical investigation and testing -- Geotechnical monitoring by field instrumentation

This document specifies the measurement of stress changes by means of total pressure cells (TPC). General rules of performance monitoring of the ground, of structures interacting with the ground, of geotechnical fills and of geotechnical works are presented in ISO 18674‑1. If applied in conjunction with ISO 18674‑4, this document allows the determination of effective stress acting in the ground. This document is applicable to: — monitoring changes of the state of stress in the ground and in geo-engineered structures (e.g. in earth fill dams or tunnel lining); — monitoring contact pressures at the interface between two media (e.g. earth pressure on retaining wall; contact pressure at the base of a foundation); — checking geotechnical designs and adjustment of construction in connection with the Observational Design procedure; — evaluating stability during or after construction. Guidelines for the application of TPC in geotechnical engineering are presented in Annex B. NOTE This document fulfils the requirements for the performance monitoring of the ground, of structures interacting with the ground and of geotechnical works by the means of total pressure cells as part of the geotechnical investigation and testing according to EN 1997-1[1] and EN 1997-2[2].

Reconnaissance et essais géotechniques -- Surveillance géotechnique par instrumentation in situ

Le présent document spécifie la mesure des variations de pression ŕ l'aide de cellules de pression totale (TPC). Les rčgles générales relatives ŕ la réalisation d'un suivi du terrain, des structures en interaction avec le terrain, des remblais géotechniques et des travaux géotechniques sont présentées dans l'ISO 186741. S'il est appliqué conjointement ŕ la norme ISO 186744, le présent document permet de déterminer les contraintes effectives agissant dans le terrain. Le présent document s'applique: — ŕ la surveillance des changements de l'état de contrainte dans le terrain et les structures géotechniques (p. ex. dans des barrages en terre ou des revętements de tunnel); — ŕ la surveillance des pressions de contact ŕ l'interface entre deux milieux (p. ex. poussée des terres sur un mur de soutčnement; pression de contact ŕ la base d'une fondation); — au contrôle des calculs géotechniques et ŕ l'ajustement d'une construction en lien avec la méthode observationnelle; — ŕ l'évaluation de la stabilité durant ou aprčs la construction. Les directives pour l'utilisation de TPC en génie géotechnique sont présentées ŕ l'Annexe B. NOTE Ce document satisfait aux exigences relatives ŕ la surveillance du terrain, des structures interagissant avec le terrain et des travaux géotechniques au moyen de TPCs, dans le cadre de la reconnaissance et des essais géotechniques conformément ŕ l'EN 1997-1[1] et l'EN 1997-2[2].

General Information

Status
Published
Publication Date
09-Oct-2019
Current Stage
6060 - International Standard published
Start Date
11-Sep-2019
Completion Date
10-Oct-2019
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ISO 18674-5:2019 - Geotechnical investigation and testing -- Geotechnical monitoring by field instrumentation
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ISO 18674-5:2019 - Reconnaissance et essais géotechniques -- Surveillance géotechnique par instrumentation in situ
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Standards Content (sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 18674-5
First edition
2019-10
Geotechnical investigation and
testing — Geotechnical monitoring by
field instrumentation —
Part 5:
Stress change measurements by total
pressure cells (TPC)
Reconnaissance et essais géotechniques — Surveillance géotechnique
par instrumentation in situ —
Partie 5: Mesures de la variation de pression par cellules de pression
totale (TPC)
Reference number
ISO 18674-5:2019(E)
ISO 2019
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ISO 18674-5:2019(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2019

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Published in Switzerland
ii © ISO 2019 – All rights reserved
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ISO 18674-5:2019(E)
Contents Page

Foreword ........................................................................................................................................................................................................................................iv

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Terms and definitions ..................................................................................................................................................................................... 1

4 Symbols .......................................................................................................................................................................................................................... 5

5 Instruments ............................................................................................................................................................................................................... 6

5.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 6

5.2 Deformation measuring method ............................................................................................................................................. 7

5.3 Compensation measuring method ......................................................................................................................................... 7

5.4 Stiffness of the pressure compartment .............................................................................................................................. 8

5.5 Shape of the pressure compartment .................................................................................................................................... 8

5.6 Accuracy ........................................................................................................................................................................................................ 9

6 Installation and measuring procedure ......................................................................................................................................10

6.1 Installation ...............................................................................................................................................................................................10

6.1.1 Installation in the ground ......................................................................................................................................10

6.1.2 Installation in fill ...........................................................................................................................................................11

6.1.3 Installation in concrete/shotcrete .................................................................................................................12

6.1.4 Installation in contact planes .............................................................................................................................13

6.2 Carrying out the measurement ..............................................................................................................................................14

6.2.1 Instrumentation check and calibration .....................................................................................................14

6.2.2 Measurement ...................................................................................................................................................................14

7 Data processing and evaluation .........................................................................................................................................................14

8 Reporting ...................................................................................................................................................................................................................14

8.1 Installation report .............................................................................................................................................................................14

8.2 Monitoring report ..............................................................................................................................................................................14

Annex A (normative) Evaluation procedure ..............................................................................................................................................15

Annex B (informative) Geo-engineering applications .....................................................................................................................17

Annex C (informative) Measuring examples ..............................................................................................................................................18

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................27

© ISO 2019 – All rights reserved iii
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ISO 18674-5:2019(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards

bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out

through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical

committee has been established has the right to be represented on that committee. International

organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.

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The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

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Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

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any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/patents).

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constitute an endorsement.

For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and

expressions related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the

World Trade Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT) see www .iso

.org/iso/foreword .html.
This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 182, Geotechnics.
A list of all parts in the ISO 18674 series can be found on the ISO website.

Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A

complete listing of these bodies can be found at www .iso .org/members .html.
iv © ISO 2019 – All rights reserved
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 18674-5:2019(E)
Geotechnical investigation and testing — Geotechnical
monitoring by field instrumentation —
Part 5:
Stress change measurements by total pressure cells (TPC)
1 Scope

This document specifies the measurement of stress changes by means of total pressure cells (TPC).

General rules of performance monitoring of the ground, of structures interacting with the ground, of

geotechnical fills and of geotechnical works are presented in ISO 18674-1.

If applied in conjunction with ISO 18674-4, this document allows the determination of effective stress

acting in the ground.
This document is applicable to:

— monitoring changes of the state of stress in the ground and in geo-engineered structures (e.g. in

earth fill dams or tunnel lining);

— monitoring contact pressures at the interface between two media (e.g. earth pressure on retaining

wall; contact pressure at the base of a foundation);

— checking geotechnical designs and adjustment of construction in connection with the Observational

Design procedure;
— evaluating stability during or after construction.

Guidelines for the application of TPC in geotechnical engineering are presented in Annex B.

NOTE This document fulfils the requirements for the performance monitoring of the ground, of structures

interacting with the ground and of geotechnical works by the means of total pressure cells as part of the

[1] [2]
geotechnical investigation and testing according to EN 1997-1 and EN 1997-2 .
2 Normative references

The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content

constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For

undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies

ISO 18674-1:2015, Geotechnical investigation and testing — Geotechnical monitoring by field

instrumentation — Part 1: General rules

ISO 18674-4, Geotechnical investigation and testing — Geotechnical monitoring by field instrumentation —

Part 4: Measurement of pore water pressure: Piezometer

ISO 22475-1, Geotechnical investigation and testing — Sampling methods and groundwater

measurements — Part 1: Technical principles for execution
3 Terms and definitions

For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 18674-1 and the following apply.

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ISO 18674-5:2019(E)

ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:

— ISO Online browsing platform: available at https: //www .iso .org/obp
— IEC Electropedia: available at http: //www .electropedia .org/
3.1
total pressure cell
TPC
field instrument for stress change measurements

Note 1 to entry: Typically, a total pressure cell system consists of a pressure compartment, a pressure tubing, a

pressure measuring device, a measuring line and a control and readout unit (see Figure 1 and Reference [3]).

Note 2 to entry: The pressure compartment consists of two steel platens, welded together around their

peripheries, where the intervening cavity is filled with a liquid. The cavity is connected to the inner chamber

of a pressure measuring device via a liquid-filled pressure tubing. Inner and outer chambers of the pressure

measuring device are separated by a flexible diaphragm.

Note 3 to entry: Total pressure cells are permanently installed either in fill or soft ground (embedment pressure

cells) (3.2), in contact planes between any two media (contact pressure cells) (3.3) or in boreholes (borehole

pressure cells) (3.4).

Note 4 to entry: The target of the measurement is the change of the total normal stress Δσ of the medium acting

onto the flat side of a pressure compartment (see 1 in Figure 1).
Key
1 pressure compartment
2 pressure tubing
3 pressure measuring device
3a inner chamber
3b outer chamber
3c diaphragm
4 height of the cavity of the pressure compartment
5 height of the pressure compartment
6 measuring line (electric cable or twin hydraulic tubing)
7 control and readout unit
8 medium investigated
Figure 1 — Principal components of a TPC measuring system
2 © ISO 2019 – All rights reserved
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ISO 18674-5:2019(E)
3.2
embedment pressure cell
total pressure cell (3.1) which is fully embedded within a medium

EXAMPLE Push-in cell in soft soil; “tangential cell” in shotcrete tunnel lining (see 4 in Figure 2); embedment

cell in fill (see Figure 3).
3.3
contact pressure cell
total pressure cell (3.1) which is placed in a contact plane between two media

EXAMPLE Cell at the base of a slab foundation; “radial cell” (see 3.9) in shotcrete tunnel lining.

3.4
borehole pressure cell
total pressure cell (3.1) which is installed in a borehole
Note 1 to entry: See 2 in Figure 2.
3.5
aspect ratio
ratio of height to the smallest lateral dimension of the pressure compartment

Note 1 to entry: For rectangular compartments, the smallest lateral dimension is the width, for circular

compartments the diameter.
Note 2 to entry: Typical aspect ratios are of the order of 1:20 to 1:40.
3.6
total stress

stress in the ground carried by the solid portion (skeleton) of the ground and the pore water

Note 1 to entry: One only stress component can be monitored by a total pressure cell (3.1) (which is the change of

the total normal stress Δσ ).

Note 2 to entry: Changes of 2-D and 3-D stress states can be monitored by a cluster of a sufficient number of

independently oriented TPC compartments installed at a measuring location: Three compartments for a 2-D

stress state, and six compartments for a 3-D stress state.

Note 3 to entry: By placing a TPC compartment with its sensing side towards the vertical, the vertical normal

stress component σ can be directly monitored.
3.7
effective stress
stress in the ground carried by the solid portion (skeleton) of the ground
Note 1 to entry: It is σ’ = σ - u
where
σ’ is the effective stress tensor;
σ is the total stress tensor;
u is the porewater pressure.
The formula above is only applicable to saturated soil.
3.8
contact stress
stress component which acts normal to a contact plane

EXAMPLE Normal stress acting in the interface between a slab foundation and the ground.

© ISO 2019 – All rights reserved 3
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ISO 18674-5:2019(E)

Note 1 to entry: Shear stresses acting within the contact plane cannot be measured by a TPC (3.1).

3.9
radial stress
specific contact stress (3.8) between the ground and a tunnel lining

Note 1 to entry: Radial TPCs (3.1) (“radial cells”) are especially designed for monitoring radial stresses.

Note 2 to entry: See 3 in Figure 2.
3.10
tangential stress
hoop stress monitored within shotcrete or concrete tunnel linings

Note 1 to entry: Tangential TPCs (3.1) (“tangential cells”) are especially designed for monitoring tangential

stresses in tunnel linings. An alternative term is “concrete TPC”.
Note 2 to entry: See 4 in Figure 2.
Key
1 borehole (vertically down-dipping; back-filled)

2a, 2b, 2c array of three differently oriented borehole TPCs for monitoring horizontal ground stresses

3 radial TPCs at the ground/shotcrete lining interface
4 tangential TPCs in the shotcrete lining
5 shotcrete lining
6 tunnel excavation contour
Figure 2 — Example of a TPC layout in near-surface tunnelling
4 © ISO 2019 – All rights reserved
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ISO 18674-5:2019(E)
Key
A clay core 1 TPC (single or cluster)
B filter zone 2 piezometer
C rock fill
NOTE Zones A and C have independent cable routing systems (see 6.1.2.5).
Figure 3 — Example (schematic) of a TPC layout in an earth dam
4 Symbols
Symbol Name Unit
C edge correction factor —
E Young’s modulus MPa
h elevation of measuring station in compensation method m
h elevation of the TPC in compensation method m
p pressure in the outer chamber of the measuring device MPa
p pressure in a follow-up measurement MPa

p hydrostatic pressure difference between the external measuring station and TPC MPa

pressure of the liquid in the compartment and in the inner chamber of the measur-

p MPa
ing device
p pressure loss in the compensation delivery line MPa
p pre-tensioning pressure MPa
p-t
p pressure in reference measurement MPa
p pressure reading taken at the outside measuring station MPa
read
u pore water pressure MPa
γ specific weight of compensation fluid N/m
fluid
σ ; σ ’ normal stress (total; effective) MPa
n n
Δσ difference of total normal stress MPa
σ vertical stress MPa
σ maximum horizontal stress MPa
σ minimum horizontal stress MPa
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ISO 18674-5:2019(E)
5 Instruments
5.1 General

5.1.1 It shall be noted that TPC measurements are prone to substantial errors as the presence of

the cell in the medium tends to create significant changes in the stress field which is the target of the

measurement.
NOTE 1 See Figure 4 (Reference [5]).

NOTE 2 The selection of appropriate instruments, adherence to their range of application and adequate

installation procedures are critical to reduce these errors to acceptable levels (see 5.4 and 5.6).

a) TPC stiffer than medium b) TPC softer than medium
(over-registering TPC) (under-registering TPC)
Key
I stress trajectories around a TPC 1 pressure compartment embedded in a medium.
II normal stress profile A — A’
Figure 4 — Registering effect of embedded TPCs

5.1.2 Deformation and compensation measuring methods should be distinguished from each other

(see Table 1).
Table 1 — Monitoring features associated with TPC measuring methods
Long-term
Measuring TPC Atmospheric pressure Automatic
stability of Logging speed
method stiffness compensation data acquisition
sensor signal

Deformation tends to be depends, amongst independent barometric amenable comparatively

(see 5.2) soft others, on the pressure monitoring may quick
type of electrical be needed
sensors used
vented TPC tend to be
unreliable

Compensation tends to be tends to be long- vented TPC tend to be cumbersome; comparatively

(see 5.3) stiff term stable reliable comparatively slow
costly
6 © ISO 2019 – All rights reserved
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ISO 18674-5:2019(E)

5.1.3 Any change of the total normal stress Δσ acting onto the flat side of a pressure compartment (1

in Figure 1) shall be uniquely associated with a change of the pressure of the liquid in the intervening

cavity of the compartment.

5.1.4 The stiffness of the pressure compartment in sensing direction should be low in comparison with

the stiffness of the pressure tubing and the housing of the pressure measuring device.

5.1.5 The shape and location of the pressure measuring device shall not affect the total normal stress

σ of the medium acting onto the pressure compartment.

NOTE A common technical solution is a TPC where the measuring device is located sufficiently far away from

the pressure compartment, and where the pressure compartment and measuring device are interconnected by a

stiff pressure tubing.

5.1.6 The pressure measuring device (3 in Figure 1) typically is a diaphragm pressure transducer. The

cavity of the interconnected components compartment, tubing and measuring device shall be completely

filled with, in engineering terms, an incompressible and de-aired liquid. The difference in elevation

between compartment and measuring device should be so small that it can be neglected in the evaluation

procedure (see A.1.1).

5.1.7 The housing of the pressure measuring device should be sufficiently stiff so that even high

ground pressures acting onto the outer side of the device do not affect the mechanical behaviour of the

diaphragm, in particular its calibration characteristics.

NOTE Experience in high embankments has shown that the earth pressure, acting on the housing of a

pressure transducer, can cause a substantial shift of the zero-point and a change in the linearity of the transducer.

5.2 Deformation measuring method

5.2.1 The measurement of the deflection of the diaphragm of the pressure measuring device (see 3c in

Figure 1) can be used as a method for measuring the pressure of the liquid in the intervening cavities.

NOTE Commonly, the diaphragm separating the inner chamber and outer chamber coincides with the

measuring diaphragm of an electric pressure transducer.

5.2.2 The pressure in the outer chamber of the measuring device (see 3b in Figure 1) shall be either

constant or atmospheric.

5.2.3 If TPC measurements are influenced by changes of the atmospheric pressure, thesee should be

monitored separately.

NOTE Attempts to circumvent this issue by integrating a small venting tube into the measuring line (see 6

in Figure 1) are often marred with difficulties, as such tubes tend to become blocked by condensed water. This

feature is in contrast to the compensation measuring method (see 5.3 and Table 1).

5.2.4 Deformation measurements carried out directly at the platens of the pressure compartment,

e.g. by means of strain gauges or built-in vibrating wire sensors, should be avoided as this measuring

procedure will typically result in compartment dimensions with high aspect ratios leading to

unfavourable embedment conditions (see 6.1) and ill-defined edge correction factors (see A.1).

5.3 Compensation measuring method

5.3.1 In TPC compensation measuring systems, any changes of the distance between the platens of the

pressure compartment caused by Δσ shall be compensated by an externally applied pressure p .

n a

NOTE The common practice is hydraulic application of p at comparatively high pressure levels and

pneumatic application of p at comparatively low pressure levels.
© ISO 2019 – All rights reserved 7
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ISO 18674-5:2019(E)

5.3.2 Compensation should be carried out at the diaphragm (3c in Figure 1) of the pressure measuring

device. Any deflection of the diaphragm, as described in 5.2.1, shall be compensated by a pressure p

acting in the outer chamber of the device.

5.3.3 The compensation point shall be clearly defined and well identifiable when making the

measurement. Pressure valve or electric diaphragm switch techniques may be employed.

5.4 Stiffness of the pressure compartment

In sensing direction, the stiffness of the pressure compartment should conform to the stiffness of

the medium.

NOTE 1 Stress concentration effects influence the measuring results yielding either systematically too low or

too high values (see Figure 4).

NOTE 2 Amongst the factors which influence the stiffness of the TPC system are the following:

— measuring principle (deformation, see 5.2, versus compensation, see 5.3; see also Table 1);

— aspect ratio;
— height of liquid-filled cavity (4 in Figure 1);
— volume and compressibility of the liquid in the closed inner system;
— deformability of the housing of the closed inner system (see 5.1.7).

NOTE 3 Further difficulties arise when the stiffness of the medium is changing in course of the monitoring

project, e.g. consolidation of fill or curing of shotcrete. For further influencing factors, see Reference [4].

5.5 Shape of the pressure compartment

5.5.1 The shape of the pressure compartment can be rectangular, square, oval or circular. If not affected

by other constraints (e.g. construction; shape and dimension of medium or contact), circular shapes

should be preferred.

NOTE 1 Common compartment dimensions are diameters, respectively edge lengths, of the order of 100 mm

to 400 mm.

NOTE 2 Common for soils and fine-grained fill are circular compartments with a diameter of about 120 mm to

300 mm; for ground/concrete contacts rectangular compartments of 200 mm × 300 mm; for ground/tunnel lining

contacts radial compartments of 150 mm × 250 mm and for tunnel lining embedment tangential compartments

of 100 mm × 200 mm.

5.5.2 The aspect ratio should not be higher than 1:15 for soil and fill and not be higher than 1:25

for rock and concrete. Compartments with small aspect ratios shall be preferred, provided that the

compartment platens will not touch each other across the liquid-filled cavity.
NOTE Commonly, TPC compartments are about 4 mm to 12 mm thick.

5.5.3 The selection of the compartments should be made in consideration of the influence which edges

and corners of the pressure compartments can have onto the stress distribution around the compartment

(Figure 5) and thus onto the measurement. Figure 6 shows two technical solutions which are reducing

the edge effect. These solutions should be considered in the TPC selection.

NOTE Edges and corners of pressure compartments are commonly stiffer than the sensing area of the

compartments and, thus, are attracting over-proportionally high stresses. This effect is particularly relevant for

high aspect ratios.
8 © ISO 2019 – All rights reserved
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ISO 18674-5:2019(E)
Key
1 weld seam
2 top platen
3 liquid-filled cavity
4 bottom platen

Figure 5 — Edge effect of pressure compartments: stress concentration at comparatively stiff

edge (schematic)
a) Flexible edge solution b) Edge groove solution
Key
1 weld seam
2 stiff bearing plate
3 liquid-filled cavity
4a flexible cover plate
4b bottom plate
5 groove
Figure 6 — Examples of technical solutions for reducing edge effects

5.5.4 In aggressive media, e.g. in sulphatic rock or groundwater, the TPC material should be corrosion-

resistant.

5.5.5 In the case that, after the completion of the monitoring project, TPCs are left in the ground,

attention shall be paid to the compatibility of the material, in particular of the cell liquid, to the

environment.
EXAMPLE Use of bio-degradable hydraulic oil.
5.6 Accuracy

5.6.1 It shall be realised that the degree of conformity between the embedded TPC and the surrounding

medium is critical for the accuracy of the TPC system.

NOTE 1 The degree of conformity is difficult to specify (see 5.4, NOTE 2) and often subject to changes in course

of the measuring project (see 5.4, NOTE 3).
© ISO 2019 – All rights reserved 9
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ISO 18674-5:2019(E)

NOTE 2 A calibration of the combined TPC components (compartment, tubing and measuring device; see

Figure 1) in a pressure enclave is not indicative of the accuracy of the TPC system as it yields (near-)perfect

results for almost any shape of the compartment and any pressure measuring device.

NOTE 3 Manufacturers commonly specify the accuracy of the TPC pressure transducer (see 3 in Figure 1), for

instance, accuracy ±0,1 % full scale. This accuracy is not that of the TPC.

5.6.2 The accuracy of a TPC system may best be estimated by plausibility checks of the field measuring

results and by independent information.
NOTE See 6.1.2.7.

5.6.3 Laboratory tests for determining the accuracy of the TPC system shall only be carried out if the

intended installation procedure is reproduced in the set-up of the test.

NOTE Realistic calibration tests of TPC systems in the laboratory are expensive and only justified in

exceptional circumstances.
6 Installation and measuring procedure
6.1 Installation
6.1.1 Installation in the ground

6.1.1.1 In soft soil, TPCs should be pushed-in by appropriate equipment, e.g. by a CPT rig in accordance

to ISO 22476-1. Measurements shall commence after dissipation of any excess porewater pressure which

may have developed in connection with the TPC installation.

NOTE Specially designed TPCs, often with a built-in piezometer, are commercially available from various

sources.

6.1.1.2 In stiff soil and rock, TPCs should be installed in boreholes. The boreholes shall be drilled in

accordance with ISO 22475-1. The TPC, or the array of several TPCs (see Figure 2), shall be placed and

fixed in the borehole whilst controlling the depth and orientation of the compartment sensing direction.

6.1.1.3 At the measuring location, the borehole shall be backfilled with a material which is adjusted to

the stiffness of the ground.

EXAMPLE 1 For soft rocks and stiff soils (E < 5 GPa), bentonite and other low-strength cement suspension in

combination with clayey components.

EXAMPLE 2 For moderately stiff rock (5 GPa ≤ E < 20 GPa), cement-based mortar or suspension.

EXAMPLE 3 For stiff rocks (20 GPa ≤ E < 30 GPa), dental mortar in combination with sub

...

NORME ISO
INTERNATIONALE 18674-5
Première édition
2019-10
Reconnaissance et essais
géotechniques — Surveillance
géotechnique par instrumentation in
situ —
Partie 5:
Mesures de la variation de pression
par cellules de pression totale (TPC)
Geotechnical investigation and testing — Geotechnical monitoring by
field instrumentation —
Part 5: Stress change measurements by total pressure cells (TPC)
Numéro de référence
ISO 18674-5:2019(F)
ISO 2019
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ISO 18674-5:2019(F)
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ISO 18674-5:2019(F)
Sommaire Page

Avant-propos ..............................................................................................................................................................................................................................iv

1 Domaine d’application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Références normatives ................................................................................................................................................................................... 1

3 Termes et définitions ....................................................................................................................................................................................... 2

4 Symboles ....................................................................................................................................................................................................................... 6

5 Instruments ............................................................................................................................................................................................................... 6

5.1 Généralités .................................................................................................................................................................................................. 6

5.2 Méthode de mesure par déformation ................................................................................................................................. 8

5.3 Méthode de mesure par compensation ............................................................................................................................. 8

5.4 Rigidité du compartiment sous pression ......................................................................................................................... 9

5.5 Forme du compartiment sous pression ............................................................................................................................. 9

5.6 Exactitude .................................................................................................................................................................................................10

6 Mise en place et procédure de mesure .......................................................................................................................................11

6.1 Installation ...............................................................................................................................................................................................11

6.1.1 Installation dans le terrain ...................................................................................................................................11

6.1.2 Mise en place dans un remblai ..........................................................................................................................12

6.1.3 Mise en place dans du béton/du béton projeté ................................................................................13

6.1.4 Mise en place dans des plans de contact ..................................................................................................14

6.2 Réalisation des mesures ..............................................................................................................................................................15

6.2.1 Vérification et étalonnage de l'instrumentation ................................................................................15

6.2.2 Mesure ...................................................................................................................................................................................15

7 Traitement et évaluation des données .......................................................................................................................................15

8 Compte rendu .......................................................................................................................................................................................................15

8.1 Compte rendu d’installation .....................................................................................................................................................15

8.2 Compte rendu de surveillance ................................................................................................................................................15

Annexe A (normative) Procédure d’évaluation ......................................................................................................................................16

Annexe B (informative) Applications géotechniques .......................................................................................................................18

Annexe C (informative) Exemples de mesurage ....................................................................................................................................19

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................29

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ISO 18674-5:2019(F)
Avant-propos

L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes

nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est

en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude

a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,

gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO, participent également aux travaux.

L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui

concerne la normalisation électrotechnique.

Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont

décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient en particulier de prendre note des différents

critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été

rédigé conformément aux règles de rédaction définies dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www

.iso .org/directives).

L’attention est attirée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de

droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable

de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant

les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de

l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de

brevets reçues par l’ISO (voir www .iso .org/patents).

Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données

pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un

engagement.

Pour une explication sur le caractère volontaire des normes, la signification des termes et expressions

spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion

de l’ISO aux principes de l’organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles

techniques au commerce (OTC), voir www .iso .org/iso/foreword .html.
Ce document a été élaboré par le Comité Technique ISO/TC 182, Géotechnique.

Une liste de toutes les parties de la série ISO 18674 est disponible sur le site Internet de l’ISO.

Tout retour ou question sur ce document doit être adressée à l’organisme national de normalisation de

l’utilisateur. Une liste complète de ces organismes est disponible à l'adresse www .iso .org/members .html.

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NORME INTERNATIONALE ISO 18674-5:2019(F)
Reconnaissance et essais géotechniques — Surveillance
géotechnique par instrumentation in situ —
Partie 5:
Mesures de la variation de pression par cellules de
pression totale (TPC)
1 Domaine d’application

Le présent document spécifie la mesure des variations de pression à l’aide de cellules de pression

totale (TPC). Les règles générales relatives à la réalisation d’un suivi du terrain, des structures en

interaction avec le terrain, des remblais géotechniques et des travaux géotechniques sont présentées

dans l’ISO 186741.

S’il est appliqué conjointement à la norme ISO 186744, le présent document permet de déterminer les

contraintes effectives agissant dans le terrain.
Le présent document s’applique:

— à la surveillance des changements de l’état de contrainte dans le terrain et les structures

géotechniques (p. ex. dans des barrages en terre ou des revêtements de tunnel);

— à la surveillance des pressions de contact à l'interface entre deux milieux (p. ex. poussée des terres

sur un mur de soutènement; pression de contact à la base d'une fondation);

— au contrôle des calculs géotechniques et à l’ajustement d'une construction en lien avec la méthode

observationnelle;
— à l’évaluation de la stabilité durant ou après la construction.

Les directives pour l'utilisation de TPC en génie géotechnique sont présentées à l'Annexe B.

NOTE Ce document satisfait aux exigences relatives à la surveillance du terrain, des structures interagissant

avec le terrain et des travaux géotechniques au moyen de TPCs, dans le cadre de la reconnaissance et des essais

[1] [2]
géotechniques conformément à l’EN 1997-1 et l’EN 1997-2 .
2 Références normatives

Les documents suivants sont mentionnés dans le texte d’une manière telle que tout ou partie de leur

contenu constitue les exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée

s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y

compris les éventuels amendements).

ISO 18674-1:2015, Reconnaissance et essais géotechniques — Surveillance géotechnique par

instrumentation in situ — Partie 1: Règles générales

ISO 18674-4, Reconnaissance et essais géotechniques — Surveillance géotechnique par instrumentation in

situ — Partie 4: mesure de la pression d’eau dans les pores: piézomètre

ISO 22475-1, Reconnaissance et essais géotechniques — Méthodes de prélèvement et mesurages

piézométriques — Parti 1: principes techniques des travaux
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ISO 18674-5:2019(F)
3 Termes et définitions

Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés dans l’ISO 18674-1 ainsi que les

termes et définitions suivants s’appliquent.

L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques, destinées à être utilisées dans les

activités de normalisation, aux adresses suivantes:

— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse https: //www .iso .org/obp

— Glossaire Electropedia de l’IEC: disponible à l’adresse http: //www .electropedia .org/

3.1
cellule de pression totale
TPC
instrument de terrain utilisé pour mesurer les variations de contrainte

Note 1 à l'article: En général, un système de cellules de pression totale est constitué d'un compartiment sous

pression, d'un tube sous pression, d'un dispositif de mesure de la pression, d'une ligne de mesure et d'une unité

de contrôle et de lecture (voir Figure 1 et Référence [3]).

Note 2 à l'article: Le compartiment sous pression est constitué de deux plaques d’acier, soudées ensemble le long

de leurs périphéries, la cavité interne étant remplie d’un liquide. La cavité est reliée à la chambre interne du

dispositif de mesure de la pression par l’intermédiaire d’un tube sous pression rempli de liquide. Les chambres

interne et externe du dispositif de mesure de la pression sont séparées par une membrane flexible.

Note 3 à l'article: Les cellules de pression totale sont installées de façon permanente, soit dans un remblai ou un

terrain meuble(cellules de pression enfouies) (3.2), soit dans des plans de contact entre deux milieux (cellules de

pression de contact) (3.3) ou dans des trous de forage (cellules de pression en forage) (3.4).

Note 4 à l'article: Le but de la mesure est la variation de la contrainte normale totale Δσ du milieu qui agit sur le

côté plat du compartiment sous pression (voir 1 de la Figure 1).
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ISO 18674-5:2019(F)
Légende
1 compartiment sous pression
2 tube dsous pression
3 dispositif de mesure de la pression
3a chambre interne
3b chambre externe
3c membrane
4 hauteur de la cavité du compartiment sous pression
5 hauteur du compartiment sous pression
6 ligne de mesure (câble électrique ou tube hydraulique jumelé)
7 unité de commande et d’affichage
8 milieu étudié
Figure 1 — Principaux constituants d’un système de mesure à cellule TPC
3.2
cellule de pression enfouie
cellule de pression totale (3.1) qui est entièrement enfouie au sein d’un milieu

EXEMPLE Capteur enfoncé dans un sol meuble; «capteur tangentiel» dans un revêtement de tunnel en béton

projeté (voir 4 de la Figure 3).
3.3
cellule de pression de contact

cellule de pression totale (3.1) placé au niveau d'un plan de contact entre deux milieux

EXEMPLE Capteur placé à la base de la fondation d'une dalle; «capteur radial» (voir 3.9) dans un revêtement

de tunnel en béton projeté.
3.4
cellule de pression en forage
cellule de pression totale (3.1) installé dans un trou de forage
Note 1 à l'article: Voir en 2 sur la Figure 2.
3.5
rapport de forme

rapport entre la hauteur et la plus petite dimension latérale du compartiment sous pression

Note 1 à l'article: Dans le cas de compartiments rectangulaires, la plus petite dimension latérale est la largeur,

dans le cas de compartiments circulaires, il s’agit du diamètre.
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Note 2 à l'article: Les rapports de forme sont généralement de l’ordre de 1:20 à 1:40.

3.6
contrainte totale

contrainte dans le terrain exercée par la fraction solide (squelette) du terrain et l’eau interstitielle

Note 1 à l'article: Une cellule de pression totale (3.1) ne permet de surveiller qu’une seule composante de la

contrainte (à savoir le changement de la contrainte normale totale Δσ ).

Note 2 à l'article: Les changements des états de contrainte en 2-D et 3-D peuvent être surveillés en utilisant un

groupe d’un nombre suffisant de compartiments de TPC orientés indépendamment, installés au niveau d’un site

de mesure: Trois (3) compartiments pour un état de contrainte en 2-D, et six (6) compartiments pour un état de

contrainte en 3-D.

Note 3 à l'article: Le fait de placer un compartiment de TPC avec son côté de détection vers la verticale permet de

suivre directement la composante verticale de la contrainte normale σ .
3.7
contrainte effective
contrainte dans le terrain exercée par la fraction solide (squelette) du terrain
Note 1 à l'article: Il s’agit de σ’ = σ - u
σ’ = tenseur de contrainte effective;
σ = tenseur de contrainte totale;
u = pression de l’eau des pores.
La formule ci-dessus ne s'applique qu'au sol saturé.
3.8
contrainte de contact

composante de la contrainte qui agit normalement par rapport à un plan de contact

EXEMPLE Contrainte normale agissant à l’interface entre la fondation d’une dalle et le terrain.

Note 1 à l'article: Une TPC (3.1) ne permet pas de mesurer les contraintes de cisaillement qui agissent au sein du

plan de contact.
3.9
contrainte radiale

contrainte de contact (3.8) spécifique entre le terrain et le revêtement d’un tunnel

Note 1 à l'article: Des TPCs (3.1) radiales («capteurs radiaux») sont spécialement conçus pour la surveillance des

contraintes radiales.
Note 2 à l'article: Voir en 3 sur la Figure 2.
3.10
contrainte tangentielle

contrainte circonférentielle surveillée au sein de revêtements de tunnels en béton ou béton projeté

Note 1 à l'article: Les TPCs (3.1) tangentielles («capteurs tangentiels») sont spécifiquement conçus pour la

surveillance des contraintes tangentielles au sein des revêtements de tunnels. On parle également de «TPC

pour béton».
Note 2 à l'article: Voir en 4 sur la Figure 2.
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ISO 18674-5:2019(F)
Légende
1 trou de forage (aval-pendage verticalement; remblayé).

2a, 2b, 2c réseau de trois TPCs en forage, orientées différemment, permettant la surveillance des contraintes

horizontales dans le terrain.

3 TPCs radiales au niveau de l’interface entre le terrain et le revêtement de béton projeté.

4 TPCs tangentielles dans le revêtement de béton projeté.
5 revêtement de béton projeté.
6 contour de l’excavation du tunnel.

Figure 2 — Exemple d’agencement de TPC dans un tunnel situé à proximité de la surface

Légende
A noyau d’argile 1 TPC (unique ou en groupe)
B zone de filtre 2 piézomètre
C remblai rocheux

NOTE Les zones A et C disposent de systèmes indépendants de routage des câbles (voir 6.1.2.5).

Figure 3 — Exemple (schématique) d’un agencement de TPCs dans un barrage en terre

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4 Symboles
Symbole Nom Unité
C facteur de correction des effets de bord —
E module d’Young MPa
h élévation de la station de mesure dans la méthode par compensation m
h Elévation de la TPC dans la méthode par compensation m
p pression dans la chambre externe du dispositif de mesure MPa
p Pression d'une mesure de suivi MPa

p différence de pression hydrostatique entre la station de mesure externe et la TPC MPa

Pression du liquide dans le compartiment et dans la chambre interne du système de

p MPa
mesure
p perte de charge dans la ligne d'alimentation de la compensation MPa
p Pression de pré-contrainte MPa
p-t
p pression de la mesure de référence MPa
p pression lue au niveau de la station de mesure extérieure MPa
read
u pression interstitielle MPa
γ poids spécifique du fluide de compensation N/m
fluide
σ σ ’ contrainte normale (totale; effective) MPa
n n
Δσ différence de contrainte normale totale MPa
σ contrainte verticale MPa
σ contrainte horizontale maximale MPa
σ contrainte horizontale minimale MPa
5 Instruments
5.1 Généralités

5.1.1 Il est à noter que les mesures obtenues à l’aide de TPCs sont sujettes à des erreurs importantes,

car la présence du capteur dans le milieu tend à créer des changements importants dans le champ de

contrainte qui fait l’objet de la mesure.
NOTE 1 Voir la Figure 4 (Référence [5]).

NOTE 2 La sélection d’instruments appropriés, le respect de leur domaine d’application et des procédures

d’installation appropriées sont des éléments critiques qui permettent de réduire ces erreurs à des niveaux

acceptables (voir 5.4 et 5.6).
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a) TPC plus rigide que le milieu b) TPC moins rigide que le milieu
(TPC surexposée) (TPC sous-exposée)
Légende

I trajectoires des contraintes autour d’une TPC. 1 compartiment sous pression enfoui dans un milieu.

II profil de contrainte normale selon A — A’
Figure 4 — Enregistrement de l'effet des PTCs enfouies

5.1.2 Il convient de distinguer les méthodes de mesure par déformation et par compensation (voir le

Tableau 1).

Tableau 1 — Caractéristiques de surveillance associées aux méthodes de mesure des TPCs

Stabilité à long Compensation de la Acquisition Vitesse d’enre-
Méthode de Rigidité
terme du signal pression atmosphé- automatique gistrement
mesure du TPC
du capteur rique des données des données

Déformation tend à être dépend, entre une surveillance indé- souple comparative-

(voir 5.2) flexible autres, du type de pendante de la pression ment rapide
capteur élec- barométrique peut être
trique utilisé nécessaire
les capteurs hydrau-
liques à évent ne sont
généralement pas fiables

Compensation tend à être tend à être stable les capteurs hydrau- encombrant; comparative-

(voir 5.3) rigide à long terme liques à évent sont géné- comparative- ment lent
ralement fiables ment coûteux

5.1.3 Tout changement de la contrainte normale totale Δσ agissant sur la face plate d’un compartiment

sous pression (1 sur la Figure 1) doit être associé de manière univoque à un changement de la pression

du liquide dans la cavité interne du compartiment.

5.1.4 Il est recommandé que la rigidité du compartiment sous pression dans la direction de détection

soit faible en comparaison de la rigidité du tube de pression et du logement du dispositif de mesure de la

pression.

5.1.5 La forme et l’emplacement du dispositif de mesure de la pression ne doivent pas affecter la

contrainte normale totale σ du milieu qui agit sur le compartiment sous pression.

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NOTE Une solution technique courante consiste en une TPC dans lequel le dispositif de mesure est placé

suffisamment à distance du compartiment sous pression, et dans lequel le compartiment sous pression et le

dispositif de mesure sont reliés par un tube de pression rigide.

5.1.6 Le dispositif de mesure de la pression (3 à la Figure 1) est généralement un transducteur de

pression à membrane. La cavité formée par les composants interconnectés, compartiment, tube et

dispositif de mesure doit être entièrement remplie, en termes d'ingénierie, d'un liquide incompressible

et désaéré. La différence d'altitude entre le compartiment et le dispositif de mesure doit être si faible

qu'elle peut être négligée dans la procédure d'évaluation (voir A.1.1).

5.1.7 Il est recommandé que le logement du dispositif de mesure de la pression soit suffisamment rigide

pour que même des pressions élevées du terrain agissant sur la face externe du dispositif n’affectent pas

le comportement mécanique de la membrane, en particulier ses caractéristiques d’étalonnage.

NOTE L’expérience dans des remblais de grande hauteur a montré que la poussée des terres, qui s’exerce sur

le logement d’un transducteur de pression, peut provoquer un décalage significatif du zéro et une variation par

rapport à la linéarité du transducteur.
5.2 Méthode de mesure par déformation

5.2.1 La mesure de la déflexion de la membrane du dispositif de mesure de la pression (voir 3c sur

la Figure 1) peut être utilisée comme une méthode de mesure de la pression du liquide dans les cavités

internes.

NOTE Couramment, la membrane qui sépare la chambre interne et la chambre externe coïncide avec la

membrane de mesure d’un transducteur de pression électrique.

5.2.2 La pression dans la chambre externe du dispositif de mesure (voir 3b sur la Figure 1) doit être

soit constante, soit atmosphérique.

5.2.3 Si les mesures de la TPC sont influencées par des changements de pression atmosphérique, il

convient que ces changements soient suivis indépendamment.

NOTE Les tentatives visant à contourner ce problème par l’intégration d’un petit tube d’évent dans la

conduite de mesure (voir 6 sur la Figure 1) sont souvent entachées de difficultés, car ces tubes tendent à se

trouver bloquer par de l’eau de condensation. Cela vient en contraste de la méthode de mesure par compensation

(voir 5.3 et le Tableau 1).

5.2.4 Il est recommandé d’éviter de réaliser les mesures de déformation directement au niveau des

plaques du compartiment sous pression, par ex. au moyen d’une jauge de déformation ou de capteurs à

corde vibrante, car cette procédure conduira généralement à des compartiments présentant des rapports

de forme élevés ce qui conduit à des conditions d’enfouissement défavorables (voir 6.1) et à des facteurs

de correction des effets bord mal définis (voir A.1).
5.3 Méthode de mesure par compensation

5.3.1 Dans les systèmes de TPC à mesure par compensation, tout changement de la distance entre les

plaques du compartiment sous pression dû à Δσ doit être compensé par une pression p appliquée de

n a
l’extérieur.

NOTE Dans la pratique courante, une pression hydraulique de p est appliquée à des niveaux de

pression comparativement élevés et une pression pneumatique de p est appliquée à des niveaux de pression

comparativement bas.

5.3.2 Il convient d’appliquer une compensation au niveau de la membrane (3c sur la Figure 1) du

dispositif de mesure de la pression. Toute déflexion de la membrane, telle que décrite en 5.2.1, doit être

compensée par une pression p agissant dans la chambre externe du dispositif.
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5.3.3 Le point de compensation doit être clairement défini et bien identifiable lors de la réalisation des

mesures. Il est possible d’utiliser des techniques à commutateur à soupape ou à membrane électrique.

5.4 Rigidité du compartiment sous pression

Dans la direction de détection, il est recommandé que la rigidité du compartiment sous pression

s’adapte à la rigidité du milieu.

NOTE 1 Les effets de concentration de contrainte influencent les résultats des mesures conduisant à des

valeurs systématiquement trop basses ou trop hautes (voir la Figure 4).

NOTE 2 La rigidité du système de TPC est influencée par les facteurs suivants, entre autres:

— principe de mesure (déformation, voir 5.2, ou compensation, voir 5.3; voir également le Tableau 1);

— rapport de forme;
— hauteur de la cavité remplie de liquide (4 sur la Figure 1);
— volume et compressibilité du liquide dans le système interne fermé;
— déformabilité du logement du système interne fermé (voir 5.1.7).

NOTE 3 D’autres difficultés surviennent lorsque la rigidité du milieu change durant le projet de surveillance,

par ex. consolidation du remblai ou durcissement du béton projeté. Pour d’autres facteurs d’influence, voir la

[4]
Référence .
5.5 Forme du compartiment sous pression

5.5.1 Le compartiment sous pression peut être de forme rectangulaire, carrée, ovale ou circulaire. En

l’absence d’autres contraintes (par ex. construction; forme et dimension du milieu, ou contact), il est

préférable d’utiliser des compartiments de forme circulaire.

NOTE 1 Les dimensions courantes des compartiments sont, en diamètre, ou respectivement longueurs du

bord, de l’ordre de 100 mm à 400 mm.

NOTE 2 Pour les sols et les remblais à grain fin on utilise couramment des compartiments de forme

circulaire ayant un diamètre de l’ordre de 120 mm à 300 mm; pour les contacts terrain/béton on utilise des

compartiments rectangulaires de 200 mm × 300 mm; pour les contacts terrain/revêtement de tunnel on utilise

des compartiments radiaux de 150 mm × 250 mm et pour l’enfouissement dans un revêtement de tunnel on

utilise des compartiments tangentiels de 100 mm × 200 mm.

5.5.2 Il est recommandé que le rapport de forme ne soit pas supérieur à 1:15 pour les sols et les

remblais et pas supérieur à 1:25 pour la roche et le béton. Les compartiments ayant un rapport de

forme faible doivent être préférés, sous réserve que les plaques du compartiment ne se touchent pas

mutuellement à travers la cavité remplie de liquide.

NOTE En général, les compartiments des TPC ont une épaisseur d’environ 4 mm à 12 mm.

5.5.3 Il convient que la sélection des compartiments tienne compte de l’influence que les bords et

les coins des compartiments sous pression peuvent avoir sur la distribution des contraintes autour du

compartiment (Figure 5) et donc sur la mesure. La Figure 6 montre deux solutions techniques permettant

de réduire l’effet de bord. Il est recommandé d’envisager ces solutions lors de la sélection de la TPC.

NOTE Les bords et les coins des compartiments sous pression sont souvent plus rigides que la zone de

détection des compartiments et, donc, attirent une proportion relativement élevée des contraintes. Cet effet

concerne particulièrement les rapports de forme élevés.
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ISO 18674-5:2019(F)
Légende
1 Cordon de soudure
2 Plaque supérieure
3 Cavité remplie de liqui
...

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