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Références pour pieux battus en fonte ductile

Suisse Romande

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IntroductionLes pieux battus en fonte ductile connaissent un développement croissant en Autriche et dans ses régions limitrophes. Leur application s’est généra-lisée depuis 25 ans dans le bâtiment et les travaux publics puis élargie aux domaines spécifiques du soutènement, de la reprise en sous-œuvre, de la pose de canalisations enterrées et de la géothermie.

Plus récemment les pieux battus en fonte ductile ont été mis en œuvre pour les fondations de murs antibruit, de pylônes électriques, d’éoliennes et de parcs photovoltaïques.

Géographiquement leur zone d’influence gagne aujourd’hui l’Allemagne, la Suisse, l’Italie, le Liechtenstein et la Slovénie. En Autriche l’utilisation des pieux battus en fonte ductile s’étend sur l’ensemble du territoire: à l’Ouest dans la vallée alpine du Rhin (Vorarlberg), au Nord-Est dans les Préalpes de Salzbourg et la plaine du Danube (Vienne, Basse et Haute Autriche) ainsi qu’au Sud dans les bassins de Graz et de Klagenfurt.

De nombreuses références de projets en France, Espagne, Irlande et au Portugal, Royaume-Uni sont également disponibles. Plus de 5 millions de mètres linéaires de pieux ductiles Duktus ont déjà été mis en œuvre avec succès depuis le lancement de leur fabrication en 1986 en Autriche.

DUKTUS SA, Jérôme Coulon, responsable produit Pieux Ductiles

Expérience en Suisse RomandeLes pieux battus en fonte ductile constituent une nouvelle alternative tech-nique et économique aux méthodes conventionnelles de fondations pro-fondes en proposant une solution complémentaire aux pieux et micropieux forés, pieux vibrofoncés et autres pieux préfabriqués battus.

Les essais de chargement dynamique réalisés sur pieux ductiles en Suisse romande ont démontré leur aptitude à mobiliser efficacement le frottement latéral ainsi qu’à développer une résistance de pointe importante. Les valeurs de frottement latéral unitaire relevées atteignent, selon les terrains traversés, jusqu’à 250-300 kN/m². En fonction des longueurs de pieux et des formations géologiques rencontrées, la résistance près de la pointe varie entre 15 et 40% de la résistance totale mobilisée avec une valeur moyenne représentant près d’un quart de celle-ci.

Les pieux ductiles ont été exécutés dans plusieurs cantons de Suisse romande et confrontés à des contextes géotechniques variés: alluvions marécageuses et fluviatiles de Roche (VD) et dépôts glacio-lacustres de Villeneuve (VD), graviers du Rhône à Sierre (VS) et graviers alluviaux de la Suze à Bienne (BE), sables et tourbes à Avenches (VD), moraine conso-lidée et remblais limono-sableux à Bellevue (GE) et Fribourg (FR), marne argileuse à Nyon (VD).

SIF-GROUTBOR SA, Eric Leboucq, Directeur

Pieux préfabriqués battus en fonte ductile

Les tubes en fonte ductile centrifugée de longueur standard 5,0 m s’emboîtent les uns dans les autres grâce à un système de joint conique mâle/femelle ; ils transmettent l’énergie de battage en pied et se solidarisent entre eux simultanément à l’enfoncement pour constituer l’armature rigide et continue du fût du pieu.

Références actuelles en Suisse RomandeVilleneuve (VD), Halle « Getaz Romang »Renforcement des fondations de l’ancienne halle industrielle Bombardier pour une reconversion en halle d’exposition et de stockage. Dépôts glacio-lacustres composés de limons fins de consistance tendre à ferme. Niveau de la nappe phréatique située à 1,0 m sous le terrain naturel. Hauteur de travail limitée à 7,5 mètres.

Roche (VD), Lotissement « Grand Cerclet »Fondations profondes pour la construction d’un nouveau lotissement de 24 villas avec couverts. Alluvions marécageuses composées de tourbe et limons organiques argileux/graveleux (consistance très molle à moyenne) et alluvions fluviatiles du Rhône composées de sable fin/grossier et gra-viers. Nappe captive sous les tourbes et limons.

Villeneuve (VD), Halle « Tobler »Renforcement des fondations d’une ancienne halle pour une augmentation de l’aire de stockage grâce à un étage supérieur. Dépôts glacio-lacustres composés de limons fins de consistance tendre à ferme. Niveau de la nappe phréatique située à 1,0 m sous le terrain naturel. Hauteur de travail limitée à 8,0 mètres.

Villeneuve (VD), Halle « Getaz Romang », Juin 2008 : 1.900 ml de pieux injectés (118/7,5 mm Ø200 mm), charges 200 à 400 kN.

Roche (VD), Lotissement « Grand Cerclet », Juin 2009 : 2.625 ml de pieux injectés (118/7,5 mm Ø200 mm), charges 100 à 250 kN.

Villeneuve (VD), Halle « Tobler », Juillet 2009 : 500 ml de pieux injectés (118/7,5 mm Ø200 mm – 170/9,0 mm Ø250 mm), charges 400 à 550 kN

Nyon (VD), Immeuble « Le Ronsier »

Fondations profondes pour la construction d’un nouvel immeuble de 3 étages avec parking souterrain. Dépôts glaciolacustres composés de marne argileuse de consistance croissante, ferme à dure en profondeur

Fribourg, Immeuble « Logements Populaires »

Fondations profondes pour la construction d’un nouvel immeuble locatif de 4 étages sur sous-sol et rez-de-chaussée. Remblais composés de limon sableux de consistance moyenne à molle recou-vrant une moraine de consistance ferme à dure.

Sierre (VS), Bâtiment Industriel « Novelis »

Fondations profondes pour une extension d’usine et l’installation de machinerie lourde sensible aux tassements. Graviers du Rhône compacts à très compacts, recouverts de sables silteux lâches à moyennement compacts.

Nyon (VD), Immeuble « Le Ronsier », Août 2008 : 1.000 ml de pieux injectés (170/9,0 mm Ø250 mm), charges 700 kN.

Fribourg, Immeuble „Logements populaires“, Novembre 2009: 1.100 ml de pieux injectés (118/7,5 mm Ø200 mm et 118/10,6 mm Ø 250 mm), charges 400 kN à 600 kN.

Sierre (VS), Bâtiment Industriel « Novelis », Septembre 2010 et Février 2011 : 1.900 ml de pieux injectés (118/9,0 mm Ø250 mm), charges 400 kN (compression) et 200 kN (traction).

Avenches (VD), Bâtiment « Inoduestag »

Fondations profondes pour la construction d’un nouveau centre de recherche et de production surélevé par des colonnes de 1,80 m/TN. Tourbe très compressible et saturée recouvrant des dépôts lacustres composés de sable peu limo-neux de compacité croissante, compacte à très compacte en profondeur. Site difficilement carros-sable, accès limité à des équipements légers.

Bienne (BE), Immeuble « Galleria »

Fondations profondes pour la construction d’un immeuble résidentiel (10 appartements) et commercial sur rez-de-chaussée et sous-sol. Graviers alluviaux de la Suze (graviers à sables argileux-limoneux) très compacts, recouverts de remblais lâches et de sédiments saturés : tourbe noire fortement décomposée et craie lacustre sableuse.

Bellevue (GE), Immeuble « La Tuilière »

Fondations profondes pour la construction de 2 immeubles locatifs de 3 étages et 1 à 3 niveaux de sous-sol reliés par un garage souterrain. Remblais sablo-graveleux peu compacts recouvrant les dépôts de retrait wurmien et la moraine wurmienne argileuse non consolidée à graveleuse/sableuse consolidée et compacte. Nappe en charge à 16,0 mètres de profondeur (+13 mètres ).

Avenches (VD), Bâtiment Industriel « Inoduestag », Avril 2010 : 2.450 ml de pieux injectés (118/9,0 mm Ø300 mm), charges 700 kN.

Bienne (BE), Immeuble « Galleria », juillet 2010 : 500 ml de pieux injectés (118/7,5 mm Ø200 mm - 118/9,0 mm Ø200 mm - 170/9,0 mm Ø250 mm), charges 300 kN à 1.300 kN.

Bellevue (GE), Immeuble « La Tuilière », Février 2011 : 1.200 ml de pieux injectés (118/7,5 mm Ø250 mm), charges 600 kN.

Duktus S.A.

Innsbrucker Straße 516060 Hall in TirolAutriche

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Tubes en fonte ductile emboîtables

Les pieux ductiles sont constitués de tubes en fonte à graphite sphéroïdal de longueur standard 5,0 mètres. Les tubes sont emboîtables les uns dans les autres et sont mis en œuvre par battage avec refoulement du sol.

La fonte à graphite sphéroïdal EN-GJS-400-10 offre des caractéristiques mécaniques comparables à un acier de construction S275JR/S355JR : limite d’élasticité 300 MPa et résistance à la traction 420 MPa.

Les tubes sont disponibles en deux diamètres Ø118 mm et Ø170 mm et en trois épaisseurs : 7,5 mm et 9,0 mm et 10,6 mm. Ils sont battus jusqu’au refus puis remplis de béton (pieux de pointe) ou bien injectés de mortier simultanément à l’enfoncement (pieux frottants) en augmentant le diamètre du pieu fini à Ø200 mm ou Ø250 mm ou Ø300 mm.

Les pieux ductiles sont privilégiés pour la reprise d’efforts de compression et couvrent une plage de sollicitations allant jusqu’à 1.400 kN. Les charges supérieures sont redistribuées sur plusieurs pieux isolés ou portées par un groupe de pieux.

Les efforts de traction sont, le cas échéant, transmis au sol par une armature additionnelle insérée à l’intérieur du tube rempli de mortier sur toute sa hauteur. L’emboîtement sur chantier des tubes entre eux est rendu possible moyennant deux extrémités coniques mâle et femelle, moulées dans la masse. Il ne nécessite aucun outillage spécial et élimine filetages et raboutages par soudure.

Mise en œuvre sans extraction de sol

La faible masse et la dimension réduite des tubes permettent l’utilisation de matériel de génie civil léger et compact.

Le premier tube, fermé par un sabot, est dressé verticalement puis battu dans le sol. Les prochains tubes sont emboîtés dans l’extrémité conique des précédents et sont battus tour à tour.

Le prolongement du pieu se répète ainsi jusqu’à la profondeur ou la lon-gueur à laquelle la capacité portante requise est vérifiée par la résistance à l’enfoncement du terrain. Les pieux ductiles ont déjà été battus jusqu’à 50 mètres (par exemple en Autriche et au Portugal).

La longueur excédentaire de tube est arasée à la cote finale de projet et sert de premier élément pour le prochain pieu.

Les pieux ductiles sont bétonnés directement après le battage par remplis-sage gravitaire du fût du pieu hermétiquement fermé. Le bétonnage aug-mente la résistance intrinsèque des pieux ductiles en créant une structure composite fonte-béton.

Les pieux ductiles injectés sont battus selon la même procédure. Le pre-mier tube, muni d’un sabot de diamètre supérieur, est entaillé à sa base. Simultanément à l’enfoncement, un mortier ou coulis de ciment est injecté à travers les tubes et débouche en pied en remplissant dès sa création le vide annulaire laissé par le débord du sabot

Un quart de la capacité portante mobilisée en pointe

Plus de 160.000 m de pieux ductiles Duktus ont été mis en œuvre les sept dernières années en Suisse alémanique et au Liechtenstein1).

En Suisse romande 9 chantiers ont été réalisés à ce jour à Nyon, Roche, Villeneuve, Fribourg, Avenches, Bienne, Sierre et Genève permettant de soumettre la pertinence du nouveau système de fondations profondes aux diverses spécificités géotechniques de ces cantons.

La capacité portante des pieux a été contrôlée par des essais de charge-ment dynamique2).

Tous les projets rapportés ci-dessus concernent des pieux ductiles injectés de diamètres Ø200 mm à Ø300 mm.

Les résultats des essais par la méthode dynamique confirment la capacité des pieux ductiles à mobiliser, grâce à la mise en œuvre par refoulement du sol et malgré leur fort élancement, une résistance de pointe non négligeable estimée en moyenne à un quart de la capacité portante totale mesurée du pieu.

Ils corroborent les valeurs de frottement latéral unitaire retenues lors du dimensionnement, lesquelles prennent en compte l’absence de décom-pression du sol et l’injection sous pression des tubes simultanément à l’enfoncement.

Résistance intrinsèque maximale admissible 1.400 kN

Les pieux ductiles sont encadrés par la règle spécifique ONR 225673) « Pieux en fonte ductile - Dimensions, exécution et maîtrise de la qualité » éditée en 2001 par l’Institut Autrichien de Normalisation.

La règle ONR 22567 se fonde sur une longue expérience de terrain ac-quise en Autriche, ainsi que sur les expertises du laboratoire public d’essais et de recherche de la ville de Vienne4). Elle définit :

• lesdétailsrelatifsàlaconceptionetàl’exécutiondespieuxpréfabriquésbattus en fonte ductile non prévus dans les normes européennes de calcul et d’exécution des travaux géotechniques spéciaux ;

• lesexigencesliéesàlamaîtrisedelaqualitéetàlaprocéduredevérification de conformité, imposées dans le cadre du contrôle interne et externe de la préfabrication en usine.

Le suivi qualité des pieux ductiles est garanti par les certifications ISO 9001 et ONCERT, par l’agrément technique européen ETA-07/01695) et par le marquage CE apposé sur le produit.

Pour le calcul de la charge limite des pieux ductiles selon la méthode Bustamante et Gianeselli6), les techniques de mise en œuvre à considérer sont « battu enrobé » (BE, courbes Q6-Q7-Q8) ou « battu acier fermé » (BAF, courbes Q1-Q2), selon la procédure d’exécution retenue.

Fonte à graphite sphéroïdal EN-GJS-400-10

Entrée dans le domaine commercial il y a 60 ans, la fonte à graphite sphé-roïdal – aussi appelée fonte ductile – se substitue économiquement aux aciers et aux fontes grises dans le secteur des pièces automobiles et des tuyaux de canalisations offrant un meilleur comportement au regard de la corrosion, un gain de poids, une résilience élevée et une grande coulabilité.

Les fontes peuvent être considérées comme des aciers suffisamment riches en carbone pour que le graphite en excès ne puisse se dissoudre dans la matrice métallique. Ces inclusions de carbone libre sous forme de sphé-roïdes plutôt que de lamelles (fontes grises ordinaires réputées cassantes) annulent les effets d’entaille, améliorent la limite élastique et confèrent une excellente résistance aux chocs.

La fonte EN-GJS-400-10 utilisée pour les pieux ductiles est un alliage fercarbonesilicium contenant plus de 3,5% de carbone et plus de 2,0% de silicium, de qualité ferritique.

La corrosion des fontes diffère de celles des aciers, du fait qu’elles ont des teneurs en silicium et en carbone plus élevées. L’absence de réseau con-tinu du graphite sphéroïdal évite une pénétration de la corrosion. De plus, dans des conditions oxydantes, en raison de la teneur élevée en silicium, le silicate formé est beaucoup plus dur et tenace que celui des aciers7).

Vérification de la capacité portante lors de l’exécution

La capacité portante des pieux ductiles est vérifiée lors de leur exécution par contrôle de la résistance exercée par le terrain pendant l’enfoncement. Cette méthode de surveillance de l’exécution s’avère simple et efficace, elle contribue à :

• augmenterlasécuritéstructuraledel’ouvrageenadaptantleslongueursde pieux aux profils de sol réellement rencontrés (p. ex. variations de la profondeur du socle rocheux ou de l’épaisseur des couches d’ancrage) ;

• effectueruncontrôlesystématiquedel’homogénéitédesterrainstraver-sés sur l’enceinte d’un même chantier ;

• simplifierlesétudesdebattagegrâceàunecorrélationimmédiate8) entre les valeurs de frottement latéral unitaire limite et la vitesse de pénétra-tion mesurée (corrélation établie sur l’analyse d’essais de chargement statique).

Les pieux ductiles conviennent à la plupart des projets de construction pour autant que le contexte géotechnique permette le battage. Les profils présentant des blocs de forte dimension ou d’autres obstacles au battage sont à proscrire.

Refoulement du sol, injection simultanée Portance et aptitudes des pieux ductiles Contrôle de qualité des pieux, surveillance

Les pieux ductiles sont mis en œuvre au moyen d’une pelle hydraulique légère et compacte, équipée d’un marteau brise-roche. Sur le chantier « Inoduestag » à Avenches (VD), la tourbe très compressible et saturée présente sur deux mètres en partie supérieure rendait le site difficilement carrossable et limitait l’accès à du matériel léger.

Les résultats d’essais de chargement dynamique propres à la Suisse romande, ci-dessus et ci-dessous chantier « Getaz Romang » à Villeneuve (VD), permettent d’enrichir une connaissance empirique cumulant aujourd’hui plus de 5 millions de mètres de pieux ductiles Duktus battus dans des formations géologiques variées en Europe et en dehors du continent.

Les tubes sont conditionnés en usine et livrés directement sur chantier par fagot de 75 m (type 118 mm) et 40 m (type 170 mm). La préfabrication industrielle assure une qualité constante conformément à la certification CE et à l’agrément technique européen ETA -07/0169 et un stock de pieux disponible dans toutes les dimensions standardisées.

Lors du chantier « Tobler » à Villeneuve (VD), le travail sur dalle existante et sous hauteur limitée a été exécuté au moyen d’une pelle sur pneus adaptée au gabarit de la halle. Les pieux sont battus sans extraction de sol directement à l’intérieur d’une niche réduite au minimum et réalisée par sciage au sol.

Sur le chantier “Galleria” dans le centre ville de Bienne (BE), l’enceinte réduite et les bâtiments mitoyens (dont un cinéma directement avoisinant à l’ouest) limitaient l’accès au chantier à des machines compactes et réduisaient les aires de stockage disponibles ainsi que le seuil critique de vibrations admissible.

Sur le chantier “Getaz Romang” à Villeneuve (VD) la hauteur de travail limitée à 7,5 m et les accès étroits nécessitaient l’utilisation de matériel particulièrement compact. Malgré les conditions diffi-ciles, un rendement moyen supérieur à 200 m par poste a été assuré.

L’injection sous pression engendre l’élargissement du fût du pieu et la création d’une interface rugueuse sol/pieu : elle a lieu simultanément au battage. Tout comme la mise en œuvre par refoulement du sol, l’injection améliore la mobilisation du frottement latéral et élimine le risque de décompression des couches de terrain traversées.

La mesure et surveillance des vibrations en temps réel sur les chantiers de Fribourg et Bienne9), ainsi que le renforcement des fondations de deux anciennes halles à Villeneuve, ont confirmé le faible niveau des vibrations transmises par le sol et la possibilité de mettre en œuvre les pieux ductiles jusqu’à 40 cm de bâtiments existants.

L‘injection des pieux au mortier ou au coulis de ciment assure un recouvrement minimum de 5 cm des tubes et garantit une protection supplémentaire efficace contre la corrosion. Cette mesure permet d’après plusieurs normes européennes (DTU13.2, Fascicule 62-V) de s’affranchir du calcul d’épaisseur sacrifiée à la corrosion.

Le premier tube est muni d’un sabot de diamètre supérieur, augmentant ainsi le diamètre du pieu fini à Ø200 mm ou Ø250 mm ou Ø300 mm. Le chantier « Novelis » à Sierre (VS) a été réalisé en partie à l’extérieur (1ère étape, extension de l’usine) et en partie à l’intérieur de bâtiments existants (2ème étape, installation de machinerie lourde).

Les enregistrements sont acquis au moyen de capteurs installés en tête et d’un analyseur dyna-mique lors de l’impact provoqué par la chute d’une masse gravitaire. L’analyse des contraintes et des déplacements se base sur la théorie de propagation des ondes unidimensionnelles. Elle permet d’établir une distribution des frottements latéraux et de la résistance de pointe ainsi qu’une simulation d’essai statique.

Les caractéristiques des pieux ductiles sont intimement liées aux propriétés de la fonte à graphite sphéroïdal. Les fontes, d’une manière générale, s’oxydent toujours moins vite que les aciers non alliés, car elles contiennent toujours plus de silicium qui provoque la formation d’une couche super-ficielle d’oxyde de fer protectrice.

Rendement de mise en œuvre supérieur

Sur le chantier « Logements Populaires » à Fribourg, le toit en forte pente de la moraine néces-sitait un système de pieux facilement adaptable aux conditions géotechniques réelles. Les pieux ductiles ont été battus au refus jusqu’à ancrage dans la couche portante, leur longueur pouvant infiniment varier par prolongement ou arasage anticipé.

Le coulis de ciment préparé par centrifugation est injecté à travers les tubes par une presse hydrau-lique simultanément au battage, remplissant dès sa création le vide annulaire laissé par le débord du sabot.

Les pressions d’injection sont contrôlées au moyen d’un manomètre monté en sortie de pompe. Les qualités et l’homogénéité du coulis de ciment sont vérifiées en cours d’exécution par mesure de densité et ultérieurement par essais de compression sur éprouvettes.

Le coulis de ciment utilisé pour l’injection des pieux ductiles garantit de hautes résistances initiales et une faible décantation. Un brassage intensif assure l’homogénéité du coulis. Sa grande fluidité et son excellente aptitude au pompage permettent une mis en œuvre facile au moyen de presses hydrauliques.

Résultats

Les premiers chantiers de pieux ductiles réalisés en Suisse romande ont montré un nouveau système de fondations profondes rapide, simple et sûr; et confirmé leur convenance aux caractéristiques géotechniques locales. Les essais de chargement dynamique ont démontré leur aptitude à mobili-ser efficacement le frottement latéral ainsi qu’à développer une résistance de pointe importante.

Etant donné l’absence de projection et d’extraction de terrain - éventuelle-ment contaminé - de même que la faible emprise sur chantier des zones de stockage et de manutention/battage, l’utilisation des pieux ductiles est nettement appropriée aux environnements sensibles et confinés. Les pieux ductiles se sont finalement caractérisés - en termes d’économies, de calendrier et de qualité - par leur disposition à :

• diminuerlecoûtglobaldesfondations(éliminationdeprestationssupplémentaires telles que évacuation/traitement de déblais de forage, longueurs perdues, recépage des têtes de pieux, contrôles d’intégrité) ;

• réduirelesdélaisdeconstructionetfaciliterlesplannings(interventionrapide, excavation des semelles de liaison avant le battage, production journalière de 200 à 400 ml, planification directe du gros œuvre) ;

• limiterlesrisquesdedéfautd’exécution(contrôledelacapacitéportantependant l’exécution, certitude d’intégrité et de continuité du fût, joint conique autobloquant, amélioration par injection/compactage de la portance du terrain).

Pieux énergétiques

A la demande des maîtres d’ouvrage les pieux ductiles peuvent être aisément convertis en pieux énergétiques grâce à l’insertion d’une sonde géothermique à l’intérieur de leur âme creuse. Cet équipement sans sur-coût excessif ne requiert ni adaptation architecturale ni occupation du sol, et permet le chauffage ou le refroidissement de bâtiments en utilisant de manière efficace le sous-sol comme source de chaleur ou de fraîcheur.1) Liste de références Suisse/Liechtenstein 2003-2010 « Pieux battus préfabriqués en fonte

ductile », ITW Ingenieurunternehmung AG.2) Rapports A-841, A-814, A-724, A-686, A-891, A-954, A-1017 sur mesures de portance des

pieux ductiles par la méthode dynamique, Duba Pile Control AG.3) Règle ONR 22567 « Pieux en fonte ductile – Dimensions, exécution et maîtrise de la

qualité », Octobre 2001, Institut Autrichien de Normalisation ONR.4) Rapport 1999K124 « Etude de la capacité portante et durabilité des pieux battus préfa-

briqués en fonte ductile », Avril 1999, MA39 Laboratoire public d’essais et de recherche de la ville de Vienne.

5) Agrément Technique Européen ETA-07/0169 « TRM-Pieu-Ductile – Pieux tubes en fonte ductile », Septembre 2007, Institut Autrichien pour les Techniques de Construction OIB.

6) Règles de calcul de la portance des pieux aux ELU. Méthode pressiométrique, Août 2006, Symposium international sur les états limites ultimes des ouvrages géotechniques, Michel Bustamante et Luigi Gianeselli.

7) Traité Matériaux métalliques M4610, Techniques de l’Ingénieur « Fontes à graphite sphéroïdal – Propriétés d’utilisation », Mars 2001, Jacques Jault, Ingénieur de l’Ecole Supérieure de Fonderie.

8) Catalogue Produit « Pieux préfabriqués battus en fonte ductile » 7.7.3 Optimisation des longueurs, Avril 2009, Pipe and Pile International SA.

9) Rapport 20100701 sur les mesures vibratoires pendant le battage de pieux ductiles, Juillet 2010, Jermann Johann – spez. Messungen in Bauwesen.

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