La présente invention a pour objet des procédés et des dispositifs de mesure in situ des caractéristiques de gonflement d'un sol.

Le secteur technique de l'invention est la fabrication de matériel et d'appareillage pour effectuer des essais et des mesures de mécanique des sols in situ.

Une des applications principales de l'invention est la détermination de la capacité de gonflement d'un sol préalablement à la construction d'un ouvrage sur celui-ci.

En effet, de nombreux ouvrages, maisons d'habitation de faible hauteur ou implantations industrielles ont eu à subir des dommages du fait des sols expansifs, et spécialement des sols gonflants.

En FRANCE, plusieurs cas de désordres ont été répertoriés dans la région parisienne par Monsieur PHILIPPONNAT. D'autres exemples sont cités en ROUMANIE (Monsieur P0PESCU) . au SENEGAL (Monsieur THUREAU) ou aux ETATS-UNIS (Monsieur CHEN) par exemple. On peut remarquer que ces problèmes se présentent toujours dans des sols argileux, sous des climats arides ou semi-arides, c'est-à-dire en milieu non saturé.

Ces sols argileux expansifs provoquent de graves problèmes aux constructions, et ce d'autant plus que celles-ci sont légères. De plus, ces désordres s'amplifient avec le temps, de manière très lente, au fur et à mesure de la perte de rigidité des ouvrages. Les désordres les plus courants dus aux sols gonflants sont des déformations différentielles, ainsi que des fissurations sOuvrant et se refermant au rythme des saisons et donc du cycle retrait-gonflement du sol argileux.

Ce sont des désordres de ce genre qui conduisent parfois à la ruine de certaines constructions. Les parties les plus exposées à l'action des sols gonflants sont les fondations et de nombreuses dispositions constructives sont préconisées, en vue de leur protection, mais sans optimisation par manque de mesure et de connaissance de la valeur et du risque encouru, ce qui coûte cher quand on veut être sûr d'éviter tout risque.

On peut utiliser en particulier :

- un traitement préventif du sol de fondation;

- une adaptation des structures; un drainage périphérique en vue d'obtenir un équilibre hydrique du sol.

Ces dispositions préventives coûtant cher par manque d'optimisation sont alors souvent plutôt ignorées.

Il apparaît donc nécessaire d'arriver à prévenir le gonflement des sols de fondation, et donc d'être capable de déterminer par un essai soit in situ, soit de laboratoire, la propension au gonflement futur de l'argile constituant le sol à étudier.

A ce jour en effet, il n'est pas possible de connaître le comportement d'un sol sans effectuer des essais sur un échantillon de celui-ci ou sur place : les mécanismes de réaction d'un sol sont en effet très complexes et sont liés à sa structure interne qui est souvent très hétérogène et non répétitive. Ainsi, on peut classer les sols par catégorie mais sans pouvoir en quantifier les caractéristiques en dehors d'essai : de nombreuses publications, mesures et études ont été faites et sont faites sur chaque paramètre concerné par les problèmes du gonflement qui nous préoccupent, tels que, pour les sols non saturés, la succion dans les sols, le comportement hydrodynamique et l'écoulement de l'eau, la contrainte effective, la résistance au cisaillement etc ....

Divers appareils ont été développés pour effectuer des mesures de ces paramètres, sachant que, pour un paramètre donné, il existe une gamme d'appareillages, fonction souvent de la gamme de valeur à mesurer.

Cependant, il s'avère que le renseignement principal concernant l'étude des sols non saturés est celui de la valeurs de sa succion, et il existe une corrélation entre la baisse de celle-ci et l'augmentation du gonflement, laquelle corrélation est une des clés de la perception des mécanismes et des paramètres du gonflement.

Cette aptitude au gonflement d'un sol est uniquement étudiée à ce jour en laboratoire à base d'essais dit "oedométrique" sur échantillons.

La méthode la plus classique, à quelques variantes près, reste celle préconisée par PAREZ et BACHELIER qui empêche par un contrepoids

asservi l'échantillon de gonfler et permet sans difficulté de déterminer la valeur après stabilisation, de la pression exercée, qui est la pression de gonflement.

En effet, la pression de gonflement d'un sol peut être définie soit :

- comme la pression qu'il faut appliquer à un sol pour qu'aucune variation de volume n'intervienne dans celui-ci lors de sa saturation;

- comme la pression qu'il faut exercer sur un sol pour le ramener après saturation à son volume initial avant saturation. La première de ces deux définitions est la plus classique et reste celle employée par la plupart des auteurs.

Cependant, ces méthodes considèrent le problème de gonflement comme étant un phénomène unidirectionnel, alors que la mise en évidence de l'anisotropie du gonflement dans les sols non saturés devrait inciter à ne plus se limiter à une seule direction de gonflement, mais à l'étudier sur des appareils dérivant plus d'une cellule tri-axiale que d'un "oedo ètre".

De plus, ces essais en laboratoire sont longs, chers, ne donnent pas une réponse en temps réel, retardent donc l'information et la décision et perturbent l'organisation d'un chantier. Par ailleurs, l'échantillon qui est véhiculé du site en laboratoire peut changer d'état en cours de transport et dans le temps, et les valeurs mesurées ne sont plus représentatives.

Ceci explique du reste que ces essais en laboratoire ne sont que peu réalisés pour les besoins d'un chantier, pour lequelsoit on fait alors l'impasse, soit on surprotège les risques ; ces essais sont utilisés surtout dans la recherche et les expertises, et ces essais sont du reste inimaginables à mettre en oeuvre sur le terrain.

Cependant, depuis plusieurs années, la majorité des études courantes de fondation sont effectuées en ayant recours exclusivement à des essais in situ comme moyen de paramétrer les calculs de fondation, à partir de pénétromètres par exemple ou des matériels commercialisés sous la marque "Pressiomètre" particulièrement. Il est donc utile et intéressant de pouvoir effectuer également des mesures de gonflement et si possible, en utilisant le maximum de moyens de mise en oeuvre qui seraient communs aux autres essais et mesures effectuées.

Divers équipements en effet, existent pour la mesure de pression et de cisaillement in situ dans un sol, et la mesure de la capacité de gonflement est aussi basée sur des mesures de pression, mais le procédé de mise en oeuvre de mesure et d'analyse est différent des méthodes connues existantes et fait l'objet de la présente invention.

On peut citer dans ce domaine divers brevets qui ont été déposés depuis plusieurs années, comme en particulier ceux de la Société MENARD, qui est le précurseur dans ce domaine depuis plus de 30 ans et est titulaire de la marque déposée désignant ce matériel, le "PRESSIQMETRE". Un de ses derniers brevets déposé le 12 Juin 1981 et publié le 18 Mars 1983 sous le NO. 2.512.860. intitulé "Dispositif de commande de surface de type numérique pour essai de sols et de roches in situ avec sonde profonde" revendique essentiellement des moyens et des procédés de calcul à partir des mesures relevées pour obtenir des résultats sur le site, malgré les contraintes d'opération. Les appareils "PRESSIOMETRE" utilisés par cette société pour obtenir ces mesures, sont connus par ailleurs et comprennent : une sonde profonde comportant une cellule principale dilatable, gonflable par pression de liquide, et généralement encadrée de deux cellules de garde du même genre, qui sont, elles, sollicitées sous pression gazeuse et,

- relié à la sonde profonde par une tubulure mixte liquide-gaz, un dispositif de surface permettant de faire varier la ou les pressions, en même temps que de détecter les variations de volume de la cellule principale.

D'autres détails sur ces appareils sont disponibles dans l'ouvrage "THE PRESSUREMETER AND FOUNDATION ENGINEERING" par F. BAGNELIN, J.F. JEZEQUEL. D.H. SHIELDS. dans la série on Rock and Soil Mechanics. Vol. 2 (1974111 ) N0. 4, Trans. Tech. Publications. Clansthal. Germany, 1978".

Par ailleurs, on peut également citer le brevet déposé le 21 Juin 1985 par la Société S0PENA, publié le 26 Décembre 1986 sous le N0. 2.585.876 et intitulé "Procédé et dispositif de mesure des caractéristiques de cisaillement d'un sol" : l'invention revendiquée permet, outre la mesure de pression radiale comme dans les appareils décrits précédemment de la société MENARD, de mesurer in situ la traction axiale applicable à la sonde et provoquant la rupture du sol

par cisaillement, et cela grâce à une enveloppe élastique de cette sonde à l'extérieur de laquelle sont montées des coquilles de pression.

Ainsi, chacun de ces appareils fournit des résultats de mesures correspondant chacun à une caractéristique du sol et sont donc complémentaires les uns des autres suivant ce que l'on recherche.

Aucun cependant dans leur configuration connue et leur procédé d'utilisation ne permet de mesurer et de connaître la pression et la dilatation de gonflement d'un sol. Le problème posé est donc, à partir de moyens existant de mise en oeuvre de matériel connu et disponible dans le domaine public pour la mesure de pression du sol in situ, d'adapter une sonde et un appareillage de surface pour mesurer les caractéristiques de gonflement du sol sur chantier. Une solution au problème posé est un procédé de mesure in situ, utilisant une sonde dilatable, des moyens pour introduire cette sonde dans le sol, des moyens pour contrôler la pression radiale exercée sur le sol par la sonde et tel que :

- on introduit dans un forage réalisé dans le sol à étudier ladite sonde dilatable à la profondeur voulue et on réalise un essai pressiométrique normal connu, consistant à établir la courbe de variation de la pression de la sonde et donc dans le sol autour de celle-ci, en fonction du volume de dilatation de cette sonde et donc du volume comprimé du sol; - on apporte dans ledit sol entourant au moins une partie de la sonde et à partir du point de remise du sol à son état initial, comme s'il n'y avait pas de trou de forage, un fluide qui imbibe le sol, sous une charge faible correspondant à quelques mètres de colonne de ce fluide; - on contrôle simultanément le volume de ladite sonde afin qu'il reste constant en augmentant alors la pression dans celle-ci, jusqu'à saturation du sol par le fluide, c'est-à-dire jusqu'au point, où ledit volume varie à nouveau obligatoirement avec ladite pression; on calcule la différence de pression mesurée entre les points, correspondant à la pression de gonflement du sol.

A partir du point précédent de remise du sol à son état initial et de l'apport du fluide dans ce sol autour de la sonde, on peut,

suivant un autre procédé de l'invention, contrôler la pression dans ladite sonde, afin qu'elle reste constante en diminuant alors le volume de celle-ci jusqu'à saturation du sol par le fluide, c'est-à- dire jusqu'au point où ladite pression varie obligatoirement à nouveau avec ledit volume et calculer la différence de volume mesurée entre les points, correspondant à la dilatation libre due au gonflement du sol.

Enfin, l'objectif principal de l'invention est atteint quand on effectue lesdits calculs de pression de gonflement du sol à volume constant et de dilatation du sol à pression constante successivement l'une après l ^f autre, en se déplaçant le long des courbes de variation de pression en fonction du volume pour un sol saturé de fluide, en mesurant les valeurs de pression et de volume entre les points de ces courbes correspondant soit au volume, soit à la pression du point de remise du sol à son état initial, avant imbibition.

Une autre solution au problème posé est un dispositif de mesure in situ des caractéristiques de gonflement d'un sol comprenant, d'une manière connue, une sonde dilatable, des moyens pour introduire et dilater celle-ci dans le sol et des moyens pour contrôler la pression radiale exercée sur le sol par la sonde; lequel dispositif comporte des moyens d'injection pour apporter dans le sol entourant au moins une partie de ladite sonde, un fluide qui imbibe le sol. sous une charge faible correspondant à quelques mètres de colonne de ce fluide, ce dispositif, dans un mode de réalisation préférentiel comporte au moins deux parties gonflables indépendamment l'une de l'autre, l'une permettant des mesures normales et classiques de pression de sol dans son état initial, l'autre associée audit moyen d'injection du fluide permettant des mesures de pression de gonflement du sol simultanément à l'imbibition de celui-ci jusqu'à saturation, soit à pression constante, soit à volume constant.

Le résultat est de nouveaux procédés et dispositifs de mesure in situ des caractéristiques de gonflement d'un sol. Ces procédés et dispositifs apportent de nombreux avantages par rapport aux techniques actuelles, dont, il faut le répéter, aucune ne permet à ce jour de mensurer in situ les caractéristiques recherchées de gonflement, celles-ci étant effectuées en laboratoire, donc en temps différé avec les inconvénients cités précédemment.

De plus, l'adaptation de la présente invention sur des matériels de mesure existants permet, d'une part, de réduire le coût de mise en oeuvre et d'investissement, mais, d'autre part, de recaler les mesures faites par rapport aux étalonnages connus effectués justement avec ce matériel. En effet, les caractéristiques de mécanique des sols ne sont souvent pas des mesures absolues mais surtout relatives, et il est donc nécessaire et important d'avoir les mêmes références de mesure de base, surtout que c'est à partir de certaines de celles-ci que des normes ont été établies en matière de construction de bâtiment. De plus, le profil pressiométrique classique peut ensuite être continué dans le même forage à plus grande profondeur, en dehors de la zone de gonflement potentiel.

Dans des modes préférentiels de réalisations, la durée de l'essai dit "sec" de référence avec une sonde en deux parties gonflables indépendantes est mis à profit pour réaliser le gonflement, car le temps d'imbibition du sol correspond à peu près à la durée de l'essai dit "sec" précédent, soit de l'ordre de 15 minutes; ceci permet de gagner du temps d'intervention.

Enfin, des améliorations et des capteurs supplémentaires peuvent être insérés dans la sonde pour suivre par exemple la pression interstitielle.

Dans le descriptif suivant, nous décrivons essentiellement des exemples de procédés et de dispositifs suivant l'invention, mais d'autres outils et sondes peuvent être envisagés dans le cadre de celle-ci : les dessins, figures et descriptif n'ont aucun caractère limitatif.

La figure 1 est une représentation des courbes des valeurs de pression et de volume.

La figure 2 est une vue en coupe d'ensemble du dispositif de mesure.

La figure 3 est une vue simplifiée en perspective de la sonde en deux parties gonflables superposées.

La figure _ est une vue simplifiée en perspective de la sonde en quatre secteurs gonflables. Les figures 5A et 5B sont des représentations en plan de dessus de la déformation d'un sol par la sonde à quatre secteurs.

La figure 1 représente un repère d'axes orthogonaux dont les

abscisses (P) représentent les valeurs de pression dans une sonde gonflable, après un forage de trou dans un sol et introduction de cette sonde ayant un diamètre extérieur à peu près égal au trou effectué, en général par exemple de l'ordre de 63 mm pour les appareils existants, et les ordonnées (V) représentent les valeurs de volume de cette sonde. Ces valeurs sont mesurées en surface tel que représenté dans la figure 2.

En opération, l'utilisateur mesure et relève une courbe 1 naturelle pression-volume, qu'il utilise ensuite pour déterminer manuellement les caractéristiques du sol, dont un module pressiométrique normal EP et une pression PL limite conventionnelle (valeurs dont la signification est liée à des données de base sur l'appareil "Pressiomètre") . En règle générale, il est procédé d'abord à un étalonnage, la sonde étant à l'air libre, à peu près au niveau du dispositif de surface; ensuite, avec la sonde enterrée dans un forage, sont effectuées les mesures proprement dites, d'où sont soustraites les valeurs d'étalonnage, pour éliminer la réponse propre de la sonde.

Le module "pressiométrique" est la pente de la courbe 1 au point A correspondant à la remise en place du sol à son état initial avant forage.

Le point A donne donc la pression PQ et le volume VQ initial qui caractérisaient la partie du sol dont la sonde a pris la place.

Une fois la sonde selon l'invention, et telle que décrite dans la figure suivante, mise en place dans le trou de forage à l'endroit désiré et positionnée en valeurs de pression et volume pour correspondre à ce point A, on apporte dans le sol entourant au moins une partie de la sonde, un fluide qui imbibe le sol sous une charge faible, correspondant à quelques mètres de colonnes de ce fluide. Divers procédés de mesures sont alors possibles : a/ soit on contrôle en même temps que cet apport de fluide dans le sol le volume de la sonde pour qu'il reste constant, en augmentant alors la pression dans celle-ci jusqu'à saturation du sol par le fluide, c'est-à-dire en parcourant le segment de droite AB sur la figure jusqu'au point B où ledit volume V ne peut alors qu'augmenter avec ladite pression P, permettant alors de tracer la courbe 2. Cette courbe représente alors la phase d'expansion de la sonde après le gonflement du terrain à saturation : la pression limite PL n'est à

priori pas affectée par l'imbibition du sol tandis que le module Ep est affecté. La différence de pression mesurée entre les points B et A soit δP = PQ - PQ correspond alors à la pression de gonflement du sol. b/ soit on contrôle en même temps que cet apport de fluide la pression dans la sonde, pour qu'elle reste constante et égale à PQ en diminuant alors son volume jusqu'à saturation du sol par le fluide, c'est-à-dire en parcourant le segment AC sur la figure jusqu'au point C où ladite pression ne peut alors que diminuer avec le volume permettant de tracer la courbe 3. Cette dernière courbe, si on la prolonge en réaugmentant la pression P et donc le volume V, doit normalement se confondre avec la courbe 2 précédente et passer par le point B, car il s'agit de la courbe pression-volume du sol saturé.

La différence des volumes mesurées entre les points A et C, soit δV = VQ - VQ correspond au volume de dilatation libre dû au gonflement du sol. c/ soit si on ne veut pas faire deux mesures différentes en deux points différents, ce qui risquerait de ne pas être concordant, on peut mesurer la pression de gonflement en parcourant le segment AB comme indiqué ci-dessus en a/, puis une fois l'apport de fluide réalisé à saturation du sol, on fait chuter la pression PQ dans la sonde en parcourant alors la courbe 2 ou 3, jusqu'à obtenir la pression PQ initiale en revenant au point C, pour lequel on mesure le volume VQ de la sonde, permettant de calibrer le volume de dilatation libre δV comme indiqué ci-dessus en b/. d/ soit on peut mesurer d'abord le volume de dilatation libre δV comme ci-dessus en b/, puis en augmentant la pression dans la sonde, remonter au point B et mesurer la pression de gonflement comme en a/ ci-dessus; les procédés c/ et d/ sont équivalents quant à la définition de cette pression de gonflement. La figure 2 est une vue en coupe d'ensemble du dispositif de mesure qui comprend un support connu et calé sur le sol 14, permettant à partir de tout type de moyen de forage 8 de réaliser un trou de forage 4 à l'endroit et à la profondeur où l'on veut effectuer la mesure. Dans un mode de réalisation préférentiel, on utilise des équipements tels que par exemple ceux des appareils appelés suivant la marque déposée "Pressiomêtre" , qui comportent, en outre, un

appareillage 13 connu, permettant de contrôler la pression et le volume de toute sonde déformable 11 qui lui est reliée par au moins un conduit 12.

La sonde 11 suivant l'invention, tel que décrit dans la figure suivante, est reliée en fait par deux conduits à un appareillage 13 qui est alors doublé.

La sonde munie éventuellement d'une pointe de battage 5, est introduite et descendue dans le trou de forage par un train de tiges 6 jusqu'à la profondeur où l'on veut effectuer la mesure. De plus, un réservoir 10 contenant un fluide quelconque 15 est relié également à ladite sonde 11 par un conduit 9 passant ou non dans le train de tige 6, comme ceux 12 reliés au dispositif de mesure 13. Ce fluide 15, au contraire de celui utilisé pour dilater la sonde et qui est donc d'un volume déterminé et récupérable, est perdu et utilisé pour imbiber une partie au moins du sol 14 autour de la sonde 11, dans lequel il est injecté sous une charge faible correspondant à quelques mètres de colonne de ce fluide. Son injection peut ainsi être faite par simple gravité, et ce fluide est de préférence de l'eau.

La figure 3 est une vue simplifiée d'un exemple de ladite sonde 11 constituée, afin d'obtenir le meilleur résultat de mesure suivant le procédé, de deux parties gonflables indépendamment l'une de l'autre permettant d'effectuer les mesures suivant l'un des procédés de l'invention décrits dans la figure 1, en particulier, des mesures simultanées de pression normale et de pression de gonflement. Dans cette figure, les deux parties sont en fait deux sondes superposées gonflables : la partie supérieure 11].. alimentée par un conduit 12^ depuis l'appareillage 13 à travers par exemple le train de tige 6 est de type connu et permet des mesures normales et classiques de pression de sol dans son état initial; la partie inférieure 112 est elle-aussi alimentée par un conduit 12 depuis l'appareillage 13 pour permettre des mesures de pression du sol autour d'elle comme la précédente, mais de plus, elle est associée audit réservoir 10 de fluide 15 par le conduit 9 : le fluide peut alors être injecté dans le sol 14 au travers d'une double paroi 16 par exemple, entourant tout ou partie de la sonde inférieure II2 sur sa périphérie : la paroi intérieure êtanche de celle-ci agit alors comme transmetteur de pression pour la mesure, comme la paroi d'une sonde gonflable, et la

paroi externe poreuse comportant des orifices n'induit aucune pression parasite pouvant influencer les mesures quand il y a équilibre de saturation d'imbibition du sol par le fluide 15 et que celui-ci ne peut plus être injecté. La figure 4 est une vue simplifiée d'un autre exemple de ladite sonde 11, constitué également de deux parties gonflables indépendamment l'une de l'autre, dont chaque partie est elle-même dédoublée, de telle façon que la sonde 11 est en fait constituée d'au moins quatre secteurs 16]., I62. I63 et I64 gonflables couplés deux à deux en opposition et travaillant alors dans la même couche du sol 14, ce qui peut être préférable.

La partie constituée des secteurs 16 _] et I63 est reliée par un conduit 12;L pour les mesures de pressions normales et classiques de pressions depuis l'appareillage 13. La partie constituée des secteurs I62 et I64 est reliée par un conduit 122 à ^cet appareillage pour les mesures de gonflement et, de plus, elle est reliée au réservoir 10 de fluide par le conduit 9 pour l'injection de ce fluide 15 dans le sol, à travers par exemple comme dans la figure précédent, une double paroi 16 recouvrant la seule surface externe des secteurs I62 et I64. Dans une autre variante, les secteurs peuvent être recouverts chacun d'une paroi rigide extérieure, dont les deux recouvrant les secteurs I62 et I64 comprennent des canaux et orifices à travers lesquels passe le fluide amené directement par le conduit 9. en .plan

Les figures 5A et 5B sont des représentations de dessus ou de dessous de la déformation d'un sol 14 par la sonde décrite dans la figure 4 précédente. Chaque ligne 17 correspond à un isobare.

Dans la figure 5A, le couple de secteurs I62 et I64 est représenté ici après l'injection de fluide dans le sol dans la position du point C de la figure 1. alors que les secteurs 16] et 133 sont dans la position de pression normale du sol 14, soit au point A de la figure 1. La première ligne de pression 17] correspond donc à la pression PQ et la différence de volume mesurable entre le couple des secteurs (16 _] + I63) et (162+ I64) représente la variation de dilatation du sol VQ - VQ. Dans la figure 5B, le couple des secteurs I62 et I64, toujours représentés après injection de fluide dans le sol 14, est ici ramené au même volume que les secteurs 16 _] et I63 avec donc une périphérie

globale de la sonde en forme de cercle : ainsi, tous les secteurs correspondent au volume du terrain reconstitué dans sa position initiale avant forage. Les secteurs 16] et I63 sont toujours dans la position de pression normale sur un point A de la figure 1, et les secteurs I62 et I64 sont au point B de cette figure.

La première ligne de pression 17^ correspondant à la pression PQ. s'arrête donc près des extrémités des secteurs 16^ et I63, alors que la ligne 172 suivant la paroi externe des secteurs I62 et iό correspond à la pression PQ de gonflement et s'écarte ensuite des secteurs 16χ et I63. La différence de pression PQ - PQ est la pression de gonflement du sol.