DOMAINE DE L' INVENTION

La présente invention concerne le domaine de la géotechnique et de la géologie. Elle concerne un procédé de mesure des propriétés élasto-plastiques d'un sol grâce à un pénétromètre statique. Elle concerne également un pénétromètre statique pour la mise en œuvre dudit procédé.

ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L' INVENTION

La construction d'ouvrages complexes nécessite la connaissance de la portance des sols vis-à-vis des futures fondations, mais aussi la connaissance de leur déformation sous charge, c'est-à-dire de l'intensité des tassements induits.

A ce jour, la détermination desdits tassements se fait soit à partir d'essais en laboratoire (essais œdométriques , essais triaxiaux...), soit à partir d'essais pressiométriques in situ .

Dans la première approche, il faut pouvoir assurer une chaine qualitative continue comprenant a minima : le prélèvement par carottage, le conditionnement, le transport, la préparation de l'échantillon et l'essai. A ceci, il convient de préciser que chaque échantillon ne mesure que quelques cm3 et que la représentativité de l'analyse passe donc par un nombre important de prélèvements et de mesures. Les inconvénients majeurs de cette première approche sont le coût, la fiabilité de l'essai et les délais pour obtenir un résultat. Dans la deuxième approche utilisant un pressiomètre, les essais d'expansion in situ consistent à dilater dans le sol, dans un forage préalablement réalisé, une sonde aux parois déformables et à déterminer la relation entre la pression appliquée sur le sol et le déplacement de la paroi de la sonde. Actuellement, il s'agit du seul essai in situ fournissant à la fois un paramètre de rupture et une relation contrainte/déformation complète donnant accès aux propriétés élasto-plastiques du sol. En effet, les essais in situ habituellement mis en œuvre tels que les essais de pénétration statique (CPT pour « Cône Pénétration Test », à partir d'un pénétromètre statique) ou les essais au carottier battu (SPT pour « Standard Pénétration Test », à partir d'un pénétromètre dynamique) permettent de mesurer la résistance à la rupture du sol et ne donne qu'une estimation des déformations par corrélations expérimentales (cf P. Riegel et H. Hosseini Sadrabadi, « L'usage du pénétromètre statique dans l'approche des tassements sous ouvrage », Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l'ingénieur JNGG 2014) .

L'approche pressiométrique souffre néanmoins de plusieurs défauts dont en particulier l'incidence de la qualité du forage sur la représentativité de l'essai, car le sol est justement mesuré au niveau des parois du forage. Un autre inconvénient réside dans la complexité du matériel mis en œuvre et l'éclatement fréquent de la sonde dès que la pression d'essai et le volume de la sonde augmentent.

L'enjeu est donc de proposer un procédé de mesure des propriétés élasto-plastiques d'un sol, permettant des mesures relativement directes, évitant les corrélations empiriques, et relativement simples, évitant notamment la complexité de mise en œuvre des essais en laboratoire ou pressiométriques . OBJET DE L' INVENTION

Un objet de la présente invention est de proposer une solution remédiant aux inconvénients de l'état de l'art, en particulier un procédé de mesure in situ des propriétés élasto- plastiques d'un sol grâce à un pénétromètre statique.

BREVE DESCRIPTION DE L' INVENTION

La présente invention concerne un procédé de mesure des propriétés élasto-plastiques d'un sol, utilisant un pénétromètre statique muni d'un tube creux entourant une tige centrale apte à coulisser à l'intérieur du tube creux et terminée à une première extrémité par une pointe de mesure.

Le procédé comprend les étapes suivantes :

a) Enfoncer dans le sol le couple formé par le tube creux et la tige centrale pour amener la pointe de mesure à une profondeur souhaitée pour la mesure des propriétés élasto- plastiques du sol, ladite pointe de mesure étant en butée contre le tube creux ;

b) Appliquer une première force constante à une deuxième extrémité de la tige, pendant une durée déterminée, ladite deuxième extrémité étant hors du sol ;

c) Mesurer un premier déplacement final, associé à l'enfoncement de la pointe de mesure dans le sol, au bout de la durée déterminée ;

d) Réitérer les étapes b) et c) avec des forces croissantes successives, pour former une courbe représentant le déplacement final en fonction de la force, jusqu'à atteindre une énième force menant à un énième déplacement final, ledit énième déplacement final étant maximal et traduisant la contrainte à la rupture du sol ; e) Extraire un module de déformation du sol à partir de la pente de ladite courbe, dans un premier domaine élastique situé avant un point d'inflexion.

Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable :

• la force correspondant au point d' inflexion de la courbe ramenée à la section de la pointe de mesure correspond à la contrainte de fluage, limite élastique du sol ;

• une valeur de contrainte admissible est définie à la moitié de la contrainte de fluage ;

• la durée déterminée est 60 secondes ;

• le procédé comprend une étape c' ) pour mesurer un premier déplacement intermédiaire, associé à l'enfoncement de la pointe de mesure dans le sol, au bout d'une durée intermédiaire inférieure à la durée déterminée ;

• l'étape d) comprend la réitération de l'étape c' ) en parallèle de la réitération des étapes b) et c) ;

• pour la force correspondant au point d' inflexion de la courbe, l'écart entre le déplacement intermédiaire mesuré au bout de 15 secondes et le déplacement final mesuré au bout de la durée déterminée est représentatif du potentiel de liquéfaction du sol ;

• le couple formé par le tube creux et la tige centrale du pénétromètre statique est introduit dans un trou préalablement foré, à l'étape a), pour amener la pointe de mesure à la profondeur souhaitée pour la mesure des propriétés élasto-plastiques du sol. La présente invention concerne également un pénétromètre statique pour la mise en œuvre du procédé précédemment décrit, comprenant :

• Au moins une tige centrale terminée à une première extrémité par une pointe de mesure, ladite pointe de mesure étant destinée à s'enfoncer dans le sol ;

• Au moins un tube creux entourant la tige centrale, cette dernière étant apte à coulisser à l'intérieur du tube creux ;

• Un vérin comportant un corps externe solidaire du tube creux et un corps mobile, ledit corps mobile étant configuré pour appliquer une force à une deuxième extrémité de la tige, menant à un enfoncement de la pointe de mesure dans le sol, et pour mesurer un déplacement associé à cet enfoncement, ladite deuxième extrémité étant destinée à demeurer hors du sol,

• Un contrôleur électronique pour asservir le vérin, de manière à appliquer une force donnée, pendant une durée déterminée, et à enregistrer le déplacement du corps mobile en fonction du temps pendant la durée déterminée .

Avantageusement, le vérin est un vérin électrique.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles :

la figure 1 présente un procédé conforme à l'invention ; la figure 2 présente une courbe traçant le déplacement final de la pointe de mesure en fonction de la force appliquée, établie selon un procédé conforme à l' invention, pour extraire des propriétés élasto- plastiques du sol ;

la figure 3 présente une courbe traçant le déplacement final de la pointe de mesure en fonction de la force appliquée et une courbe traçant un déplacement intermédiaire en fonction de la force appliquée, les courbes étant établies selon un procédé conforme à l'invention, pour extraire des propriétés élasto- plastiques du sol ;

la figure 4 présente un pénétromètre statique pour la mise en œuvre d'un procédé conforme à l'invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L' INVENTION

L' invention concerne un procédé de mesure des propriétés élasto-plastiques d'un sol, utilisant un pénétromètre statique 100.

Un pénétromètre comporte classiquement des tiges raccordées bout à bout pour former un train de tiges au bout duquel est fixée une pointe de mesure, destinée à s'enfoncer dans le sol sur des profondeurs pouvant atteindre plusieurs dizaines de mètres. En mode statique, le train de tiges est poussé par des vérins, provoquant l'enfoncement progressif de la pointe de mesure ; cette dernière mesure en particulier la résistance de pointe, représentative de la contrainte à la rupture Qc du sol. Les mesures sont enregistrées de manière continue ou discontinue selon un pas régulier.

Le pénétromètre 100 utilisé dans le cadre de l'invention est muni d'un tube creux 2 entourant une tige centrale 1 ; ladite tige centrale 1 est apte à coulisser à l'intérieur du tube creux 2 et est terminée à une première extrémité par une pointe de sure 11 destinée à être enfoncée dans le sol. A titre d'exemple, une pointe bien connue de type « Gouda » pourra être utilisée, présentant une surface au niveau de sa section plane de 10cm ² .

Le procédé de mesure selon l'invention, illustré sur la figure 1, comprend tout d'abord une étape a) consistant à enfoncer dans le sol le couple formé par le tube creux 2 et la tige centrale 1 pour amener la pointe de mesure 11 à une profondeur souhaitée P pour la mesure des propriétés élasto- plastiques du sol. Arrivée à ladite profondeur P, la pointe de mesure 11 est effacée, c'est-à-dire placée en butée contre le tube creux 2.

Le procédé de mesure comprend ensuite une étape b) au cours de laquelle une première force Fi constante est appliquée à une deuxième extrémité de la tige 1, pendant une durée déterminée t. On rappelle que la deuxième extrémité de la tige 1 est hors du sol. La force constante Fi appliquée est transmise par la tige 1 à la pointe de mesure 11, qui va plus ou moins s'enfoncer dans le sol, selon les caractéristiques mécaniques de celui-ci .

La première force Fi appliquée pourra être comprise entre 100N et 500N ; en considérant une section de 10 cm2 de la pointe de mesure 11, cela correspond à une contrainte appliquée comprise entre 1 et 5 bars .

Dans une étape ultérieure c) du procédé, on mesure un premier déplacement final D[, associé à l'enfoncement de la pointe de mesure 11 dans le sol, au bout de la durée déterminée t. Dans la présente description, on qualifie de « final », un déplacement correspondant au déplacement relevé à la fin de la durée déterminée t. L'étape d) du procédé selon l'invention consiste en la réitération des étapes b) et c) , avec des forces appliquées croissantes, pour former une courbe représentant le déplacement final en fonction de la force appliquée.

Ainsi, comme illustré sur la figure 1, une deuxième force F ₂ constante, supérieure à Fi, est appliquée à la deuxième extrémité de la tige 1, pendant la durée déterminée t. Une mesure est faite du deuxième déplacement final D|, associé à l'enfoncement de la pointe de mesure 11 dans le sol, au bout de la durée déterminée t. A noter que ce deuxième déplacement final D| correspond au cumul du premier déplacement final D[ et du déplacement additionnel provoqué par l'application de la deuxième force F ₂ .

Une troisième force F ₃ constante, supérieure à F ₂ , est ensuite appliquée, toujours pendant la durée déterminée t, puis une mesure du troisième déplacement final Df est réalisée au bout de ladite durée t, et ainsi de suite.

Avantageusement, l'incrément entre deux forces appliquées successives est compris entre 100 et 500N.

La durée déterminée t pourra varier entre 15 et 600 secondes ; elle est préférentiellement définie à t = 60s car cette durée rejoint l'approche méthodologique de l'essai pressiométrique .

La séquence d'application d'une force et de mesure du déplacement final est répétée n fois (application d'une énième force F _n constante, supérieure à F _n-i , et mesure d'un énième déplacement final D ) jusqu'à atteindre la contrainte à la rupture du sol Qc . La contrainte à la rupture du sol va correspondre à une force F _n engendrant un déplacement final D maximal dû à un important enfoncement de la pointe de mesure 11. Rappelons que la force F _n est reliée à la contrainte par la relation : Qc = F _n / S, S étant la surface de la section plane de la pointe de mesure 11 (par exemple 10cm ² ) .

En pratique, le déplacement maximal représentatif de la rupture du sol est défini à environ 5 cm (amplitude de sortie de la pointe 11 par rapport à sa position effacée contre le tube creux 2 ) .

A l'issue des étapes précédentes, on peut tracer une courbe C _t représentant le déplacement final en fonction de la force appliquée (figure 2) . La courbe C _t est formée d'un premier domaine E correspondant à des déformations élastiques du sol. Elle est formée, après un point d'inflexion I, d'un deuxième domaine PI correspondant à des déformations plastiques du sol, jusqu'à atteindre le point de rupture (Qc) .

L'étape e) suivante comprend l'extraction du module de déformation M du sol à partir de la pente de la courbe C _t déplacement final / force, dans le premier domaine E de déformation élastique situé avant un point d' inflexion I .

La pente p de la courbe C _t dans le premier domaine élastique E s'exprime :

P (notons que Df et F3 sont donné ici à titre

d'exemple, le principe étant d'utiliser un couple déplacement final / force dans le domaine élastique E, permettant de calculer de manière précise la pente dudit domaine)

Le module de déformation M, en MPa/m, est calculé à partir de l'expression : avec p la pente du premier

domaine élastique E et S la surface de la section plane de la pointe de mesure 11. Le module ainsi extrait permet la modélisation du tassement du sol sous charge.

Le procédé selon l'invention permet également de déterminer la contrainte de fluage (Qf) , limite élastique du sol. En effet, partant de la courbe C _t déplacement final / force, la force F _f correspondant au point d'inflexion I, traduit ladite contrainte de fluage Qf.

La contrainte de fluage s'exprime :

F _f

Qf = avec F _f la force correspondant au point d' inflexion I et S la surface de la section plane de la pointe de mesure 11.

A partir de la contrainte de fluage Qf, on pourrait estimer, à titre sécuritaire, une valeur de contrainte admissible Qa à ½ Qf, qui placerait la contrainte admissible Qa en partie médiane du domaine élastique E. Rappelons que la contrainte admissible Qa est utilisée pour le dimensionnement des fondations de l'ouvrage.

Selon une autre approche, en fonction du tassement admissible du projet d'ouvrage, on pourrait attribuer à la contrainte admissible Qa, une valeur, toujours inférieure à la contrainte de fluage Qf, située dans le premier domaine élastique E, et correspondant sur la courbe C _t au déplacement égal au tassement admissible connu.

Rappelons que traditionnellement, la contrainte admissible Qa est évaluée sur la base d'une fraction de la contrainte à la rupture Qc : Qa = Qc/10 ; le coefficient 10 étant établi semi-empiriquement et de manière extrêmement sécuritaire. Le procédé selon l'invention donne une valeur de la contrainte admissible Qa basée sur la gestion du tassement admissible vis-à-vis de l'ouvrage, ce qui la rend beaucoup plus pertinente .

Selon une variante avantageuse, le procédé comprend une étape c' ) au cours de laquelle les déplacements intermédiaires sont mesurés en fonction du temps, lesdits déplacements intermédiaires étant associés à l'enfoncement progressif de la pointe de mesure 11 au cours de la durée déterminée t. Comme illustré sur la figure 3, par exemple pour la première force Fi appliquée, un déplacement intermédiaire D-f ¹ pourra être mesuré à tl = 15s. Des déplacements intermédiaires D[ ² , D[ ³ , ... pourraient également être mesurés à t2 = 30s, t3 = 45s... par exemple.

On peut alors tracer une (ou plusieurs) autre (s) courbe (s) C _ti (C _t 2,...) représentant le déplacement intermédiaire en fonction de la force appliquée (figure 3) . La courbe C _ti présente, comme la courbe C _t , un premier domaine de déformation élastique E du sol et, après un point d'inflexion, un deuxième domaine de déformation plastique PI du sol, jusqu'à atteindre le point de rupture (Qc) .

Pour la force F _f correspondant au point d' inflexion I de la courbe C _t , l'écart AD entre le déplacement intermédiaire Dé mesuré au bout de tl (par exemple 15 secondes) et le déplacement final D mesuré au bout de la durée déterminée (par exemple 60s) est représentatif du potentiel de liquéfaction du sol. Un écart AD supérieur à 20% pourrait traduire un sol potentiellement liquéfiable .

Pour référence, le demandeur a développé une méthode de pré-identification de sols liquéfiables (cf. H. Hosseini- Sadrabadi et al, « Identification des sols liquéfiables par pénétromètre statique : principe et modélisation numérique », Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l'Ingénieur, Nancy 2016) basée sur des essais de pénétration statique avec double mesure : une mesure de la résistance de n2cm/s

pornte Q _c à une vitesse constante d'enfoncement de 2cm/s et une mesure de la résistance de pointe à l'arrêt Q _c ^rret . L'écart

_ Q ^2Cm/S -Q ^rrêt

^Qc 2cm/s semble caractéristique de l'évolution des pressions interstitielles dans le sol. Plus cet écart Q _C est élevé, plus le risque de liquéfaction du sol en cas de séisme est élevé. En particulier, il existe une très forte probabilité de liquéfaction lorsque cet écart excède 40% de la résistance du sol mesurée en mode statique.

Le procédé selon l'invention, en donnant accès à l'écart Dϋ, pourrait conforter la représentativité de l'écart AQ _C vis- à-vis des pressions interstitielles et du potentiel de liquéfaction du sol considéré.

Notons que selon une première variante, à l'étape a) du procédé, le couple tube creux 2 / tige centrale 1 du pénétromètre statique 100 pourra être enfoncé dans le sol selon un mode statique classique, permettant une mesure de la contrainte à la rupture du sol en fonction de la profondeur, jusqu'à la profondeur P souhaitée pour la mesure élasto-plastique .

Selon une deuxième variante, le couple tube creux 2 / tige centrale 1 pourra être introduit dans un trou préalablement foré dans le sol jusqu'à la profondeur P souhaitée pour la mesure é1asto-plastique . Dans les deux variantes, le sol à analyser, sous la pointe, n'a pas été modifié par l'étape d' amenée du couple tube / tige, ce qui assure une bonne représentativité des mesures.

Le procédé de mesure selon l'invention, utilisant un pénétromètre statique 100, propose un moyen de mesure in situ pour reconstituer directement la relation d' action / réaction d'un ensemble fondations / sol en donnant accès au comportement effectif sous charge du sol : portance, tassements, fluage dans le temps .

Contrairement à l'approche pressiométrique, le procédé de mesure n'est pas conditionné dans son résultat par la qualité de l'exécution du forage, ni par l'hétérogénéité du sol, ni même par la sensibilité ou la complexité du matériel de mesure utilisé .

La présente invention concerne également un pénétromètre statique 100 pour la mesure des propriétés élasto-plastiques d'un sol.

Le pénétromètre 100 (figure 4) comprend au moins une tige centrale 1 terminée à une première extrémité par une pointe de mesure 11. Il comprend également au moins un tube creux 2 entourant la tige centrale 1. Les diamètres respectifs du tube creux 2 et de la tige centrale 1 sont adaptés de sorte que cette dernière puisse coulisser librement à l'intérieur du tube creux 2.

Le couple formé par la tige centrale 1 et le tube creux 2 est destiné à s'enfoncer dans le sol, la pointe 11 en tête. Comme cela est bien connu, pour atteindre une profondeur donnée, des tiges 1 et tubes 2 additionnels peuvent être raccordés bout à bout, pour former un train de couples tige/tube, pouvant être enfoncé dans le sol sur plusieurs dizaines de mètres. Étant entendu qu'une deuxième extrémité de la tige 1 et du tube creux (ou deuxième extrémité du train de tiges et du train de tubes creux) est destinée à demeurer hors du sol, en surface.

Le pénétromètre 100 comprend en outre un vérin 6 comportant un corps externe 61 solidaire du tube creux 2 et un corps mobile 62 apte à venir en contact avec la tige centrale 1.

Avantageusement, le corps mobile 62 est capable de réaliser un déplacement maximal d'environ 7cm entre une position effacée (corps mobile 62 rétracté et pointe de mesure 11 en butée contre le tube creux 2) et une position déployée (corps mobile 62 étendu au maximum, sortie de pointe 11 maximale) .

Le corps mobile 62 est configuré pour appliquer une force à une deuxième extrémité 12 de la tige centrale 1, qui va mener à un enfoncement plus ou moins important de la pointe de mesure 11, selon les caractéristiques du sol. Le déplacement du corps mobile 62, associé à cet enfoncement est mesuré.

La puissance du moteur du vérin est préférentiellement choisie de sorte que le corps mobile 62 soit capable d'appliquer des forces comprises typiquement entre 100N et 20kN.

Avantageusement, le vérin 6 est un vérin électrique.

Le pénétromètre 100 comprend également un contrôleur électronique 7 pour asservir le vérin 6, de manière à appliquer une force donnée, pendant une durée déterminée t, et à enregistrer le déplacement du corps mobile 62 en fonction du temps, et ce pendant la durée déterminée t.

Le pénétromètre selon la présente invention offre une solution pratique et industrielle permettant la mise en œuvre efficace et économique du procédé précité de mesure des propriétés élasto-plastiques d'un sol. Le pénétromètre 100 selon l'invention comprend avantageusement des moyens d'appui solidaires du tube creux 2 par l'intermédiaire d'une mâchoire de bridage 3. Les moyens d' appui permettent un enfoncement en mode statique dans le sol du couple formé par le tube creux 2 et la tige centrale 1 jusqu'à la (ou les) profondeur ( s ) donnée (s) à investiguer.

Les moyens d'appui pourront en particulier consister en un vérin hydraulique. La partie mobile du vérin hydraulique fixée au tube creux 2 lui applique la force d'appui nécessaire à l'enfoncement continu du couple tube/tige. La partie fixe du vérin hydraulique doit être solidaire d'un massif de réaction. Les moyens d'appui pourront comprendre un groupe hydraulique automoteur, pour actionner le vérin hydraulique.

Avantageusement, les moyens d'appui sont maintenus par un châssis. Le châssis est muni d'au moins un élément de liaison mécanique destiné à être connecté au massif de réaction. Cet élément de liaison mécanique pourra par exemple consister en une pince hydraulique ou mécanique, ou encore un étau de même type. Le fait que le châssis soit équipé d'un tel élément de liaison mécanique le rend connectable à tout genre de massif de réaction.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.