LIQUEFIABLE D'UN SOL ET PROCEDE ASSOCIE

DOMAINE DE L' INVENTION

La présente invention concerne le domaine de la géotechnique et de la géologie. Elle concerne un dispositif de mesure de la résistance à la pénétration d'un sol, appelé communément un pénétromètre, et un procédé de mesure associé. Elle concerne en particulier un pénétromètre statique pour réaliser des essais d'évaluation du caractère liquéfiable d'un sol .

ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L' INVENTION

Les nouvelles normes parasismiques conduisent à systématiser lors des études géotechniques en zones sismiques, la caractérisation des sols vis-à-vis du risque de liquéfaction. La liquéfaction d'un sol pendant un mouvement sismique désigne la diminution de la rigidité dudit sol et/ou la diminution de sa résistance au cisaillement, dues à l'augmentation de la pression de l'eau interstitielle. Ces modifications des caractéristiques du sol sont susceptibles de produire des déformations permanentes significatives (tassements, glissements) , voire une quasi-annulation des contraintes effectives (phénomène de grande déformation, étalements) .

L'identification de ce risque de liquéfaction permet donc d'anticiper les solutions de réalisation des fondations pour assurer la stabilité des ouvrages lors des séismes. Rappelons que la compacité des sols est habituellement mesurée, soit en mode statique, soit en mode dynamique, par un dispositif de mesure appelé pénétromètre . 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 la résistance de pointe et éventuellement le frottement latéral sur un manchon cylindrique situé au-dessus de la pointe. Ces mesures sont enregistrées de manière continue ou discontinue selon un pas régulier. La mesure statique de la résistance à la pénétration du sol est sans conteste la plus précise car elle est réalisée directement sur la pointe de mesure, au fond du sondage.

Actuellement, le caractère potentiellement liquéfiable d'un sol est évalué par corrélations expérimentales entre des mesures in situ et les contraintes critiques de cisaillement cyclique (dont on sait qu'elles ont causé une liquéfaction lors des séismes passés) . Les mesures in situ sont habituellement réalisées à partir d'essais de pénétration standard (SPT) ou d'essais de pénétration au cône (CPT) , notamment sondages au piézocône (CPTU) . Les mesures brutes issues de ces essais sont ensuite utilisées pour déterminer des variables normalisées permettant l'évaluation de la résistance normalisée du sol ; cette résistance normalisée est ensuite comparée à la sollicitation normalisée du site. Des prélèvements des sols peuvent également être réalisés en vue de la détermination des courbes granulométriques en laboratoire . L'enjeu est de proposer des méthodes d'identification des sols liquéfiables, d'une part relativement directes, évitant les corrélations empiriques, et d'autre part relativement simples, évitant notamment la complexité de mise en œuvre d'essais au piézocône ou de chargement cyclique en laboratoire .

OBJET DE L' INVENTION

Un objet de la présente invention est de proposer une solution alternative aux solutions de l'état de l'art, en particulier un pénétromètre statique, simple de mise en œuvre et permettant une évaluation plus directe du caractère liquéfiable d'un sol.

BREVE DESCRIPTION DE L' INVENTION La présente invention concerne un pénétromètre pour l'évaluation du caractère liquéfiable d'un sol, comprenant :

• Au moins une tige centrale terminée à une première extrémité par une pointe de mesure ;

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

Le pénétromètre comprend en outre un vérin électrique comportant un corps externe solidaire du tube creux et un corps mobile, ledit corps mobile étant :

· configuré pour transmettre un déplacement à une deuxième extrémité de la tige centrale menant à un enfoncement contrôlé de la pointe de mesure dans le sol, et pour mesurer une force appliquée pour effectuer ledit déplacement, • et apte à appliquer à la deuxième extrémité de la tige centrale une vibration, à une fréquence déterminée.

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

• la fréquence déterminée est comprise entre 1 et 5 Hertz ;

• le vérin électrique est asservi électroniquement de sorte que 1 ' actionnement et la vitesse du corps mobile pour effectuer un déplacement, la force appliquée, et l'application ou l'arrêt de la vibration peuvent être effectués selon des séquences programmées ou asservis les uns aux autres ;

• le pénétromètre comprend une cellule solidaire du tube creux, destinée à transmettre une force d'appui, appliquée par des moyens d'appui, de manière à provoquer un enfoncement dans le sol du tube creux et de la tige centrale jusqu'à une profondeur donnée.

L' invention concerne également un procédé pour l'évaluation du caractère liquéfiable d'un sol, pouvant utiliser le pénétromètre tel que ci-dessus. Ledit 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 donnée, ladite pointe de mesure étant en butée contre le tube creux ;

c) actionner le corps mobile pour qu' il effectue un premier déplacement, induisant un premier enfoncement contrôlé de la pointe de mesure dans le sol, et mesurer la force appliquée pour effectuer ledit premier déplacement ;

d) appliquer une vibration à une fréquence déterminée, à la deuxième extrémité de la tige centrale par l'intermédiaire du corps mobile et simultanément actionner le corps mobile pour qu'il effectue un deuxième déplacement, induisant un deuxième enfoncement contrôlé de la pointe de mesure dans le sol ; et mesurer la force appliquée pour effectuer ledit deuxième déplacement ;

e) arrêter la vibration ;

f) actionner le corps mobile pour qu' il effectue un troisième déplacement, induisant un troisième enfoncement contrôlé de la pointe de mesure dans le sol et mesurer la force appliquée pour effectuer ledit troisième déplacement.

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

• le procédé comprend avant l'étape c) , l'étape b) suivante : b) actionner le corps mobile pour le placer en contact avec la deuxième extrémité de la tige centrale ;

• l'étape c) comprend également la mesure de la force de réaction transmise par la deuxième extrémité au corps mobile, à l'arrêt, après le premier enfoncement ;

• l'étape f) comprend également la mesure de la force de réaction transmise par la deuxième extrémité au corps mobile, à l'arrêt, après le troisième enfoncement ;

• à l'étape d) , la vitesse du deuxième déplacement est ajustée de manière à maintenir la force appliquée mesurée sensiblement constante ;

• à l'étape d) , la vitesse du deuxième déplacement est ajustée de manière à ce que la force appliquée mesurée soit maintenue sensiblement égale ou approche au plus près la force appliquée mesurée à l'étape c) ;

• la vitesse de déplacement du corps mobile peut atteindre 16cm/s ; le déplacement maximal entre une position effacée et une position déployée du corps mobile est de 75mm ;

le premier déplacement du corps mobile est de 10mm, le deuxième déplacement est de 30mm et le troisième déplacement est de 10mm.

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 une courbe d'essai avec double mesure de la résistance à la pénétration d'un sol ;

- la figure 2 présente un pénétromètre conforme à

1 ' invention ;

la figure 3 présente un procédé conforme à l'invention ; la figure 4 présente l'évolution de la force appliquée pour effectuer des enfoncements contrôlés, en fonction du temps.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L' INVENTION 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) au moyen d'un pénétromètre statique. Cette méthode est basée sur des essais de pénétration statique avec double mesure : une mesure de la résistance de pointe à une vitesse constante d'enfoncement de 2cm/s (notée Q? ^cm / ^S _ _m ode statique) et une mesure de la résistance de pointe à l'arrêt (notée

Qarrê _{t )} _

Ces doubles mesures, en mode statique et à l'arrêt, à une profondeur donnée, peuvent permettre d'identifier des sols potentiellement liquéfiables en ce que l'écart (noté Q _C ) entre la résistance du sol en mode statique et la résistance du sol à l'arrêt semble caractéristique de l'évolution des pressions interstitielles dans le sol :

Plus cet écart AQ _C est élevé, plus le risque de liquéfaction du sol en cas de séisme est élevé. En particulier, le demandeur affecte une très forte probabilité de liquéfaction lorsque cet écart excède 40% de la résistance du sol mesurée en mode statique.

Comme illustré sur la figure 1, il est donc possible lors d'un essai avec double mesure (en mode statique et à l'arrêt) de la résistance à la pénétration d'un sol, de détecter des couches de sol (zone A), à une (ou des) profondeur ( s ) donnée (s), pour lesquelles l'écart AQ _C est supérieur à une valeur critique, en particulier 40%. Ce type d'essai peut constituer un pré-diagnostic intéressant du caractère liquéfiable d'un sol.

La présente invention concerne un pénétromètre 100 pour l'évaluation par mesure directe du caractère liquéfiable d'un sol. Sur la base d'un pré-diagnostic évoqué précédemment, le pénétromètre 100 selon l'invention va permettre de réaliser des essais, directement à la profondeur donnée de la zone A (pour reprendre l'exemple illustré en figure 1), en vue d'évaluer plus directement le caractère liquéfiable des couches de sol concernées et apprécier les risques associés. Le pénétromètre 100 (figure 2) 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.

Le pénétromètre 100 comprend en outre un vérin électrique 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 de 75mm entre une position effacée (corps mobile 62 rétracté) et une position déployée (corps mobile 62 étendu au maximum) .

Le corps mobile 62 est configuré pour transmettre un déplacement à une deuxième extrémité 12 de la tige centrale 1, déplacement qui va mener à un enfoncement contrôlé de la pointe de mesure 11 dans le sol. Comme cela sera décrit plus en détail dans le procédé selon l'invention, des enfoncements contrôlés seront effectués successivement à partir de la profondeur donnée P _A , dans la zone A suspecte (figure 1) . Pour cela, la puissance du moteur du vérin électrique est préférentiellement choisie de sorte que le corps mobile 62 soit capable d'appliquer une pression comprise entre 10 et 40 bars : cette gamme de pressions permet d'adresser les contraintes caractéristiques (10-30 bars) mesurées en pointe dans des couches de sol à risque de liquéfaction. Le moteur du vérin électrique 6 est également choisi pour que la vitesse de déplacement du corps mobile 62 puisse varier entre quelques mm/s et environ 16cm/s, de telle sorte que la détection de la perte effective de portance du sol (cas d'un sol liquéfiable) ne soit pas affectée par les limites techniques du dispositif (comme cela sera détaillé plus tard dans le procédé) .

Le corps mobile 62 est également configuré pour mesurer la force appliquée pour effectuer ledit déplacement. La force appliquée est représentative de la résistance à la pénétration du sol au niveau de la pointe de mesure 11. Le vérin électrique 6 comprend donc un capteur de force ou de contrainte (non représenté) pour mesurer cette force.

Enfin, le corps mobile 62 est apte à appliquer une vibration à la deuxième extrémité 12 de la tige centrale 1, à une fréquence déterminée.

La fréquence déterminée est avantageusement comprise entre 1 et 5 Hertz. Cette gamme de fréquences est caractéristique des tremblements de terre, selon les connaissances sismologiques actuelles ; nous verrons plus tard dans la description du procédé selon l'invention, que la vibration dans cette gamme de fréquence permet de modifier les propriétés du sol et d'évaluer l'évolution de sa portance en cas de séisme.

Avantageusement le vérin électrique 6 est asservi électroniquement : 1 ' actionnement et la vitesse du corps mobile 62 pour effectuer un déplacement, la force appliquée lors de l'enfoncement, la mesure de la force de réaction de la tige 1 et la vibration du corps mobile 62 peuvent ainsi être effectués selon des séquences programmées ou être asservis les uns aux autres. Le pénétromètre 100 selon l'invention comprend avantageusement une cellule en contact (ou solidaire) avec le tube creux 2. La cellule (non représentée) pourra par exemple être solidarisée au tube creux 2 par l'intermédiaire d'une mâchoire de bridage 3. La cellule est destinée à transmettre une force d'appui, appliquée par des moyens d'appui, de manière à provoquer 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 à la cellule lui applique la force d'appui nécessaire à l'enfoncement continu du couple tube/tige. La partie fixe du vérin hydraulique doit être fixé directement ou indirectement à 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 à un 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.

La présente invention concerne également un procédé pour l'évaluation du caractère liquéfiable d'un sol. Il va être décrit dans le cas de l'utilisation du pénétromètre 100 décrit précédemment. Cependant, il est à noter qu'un pénétromètre de conception différente, mais apte à réaliser les fonctions caractéristiques du pénétromètre 100 selon l'invention, pourrait tout à fait être utilisé pour réaliser les étapes du procédé ci-dessous.

Le procédé pour l'évaluation du caractère liquéfiable d'un sol comprend différentes étapes (figure 3) .

L'étape a) consiste 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 donnée d'investigation (par exemple P _A en référence à la figure 1) . Au cours de cette étape, la pointe de mesure 11 est préférentiellement en butée contre le tube creux 2 et le corps mobile 62 du vérin électrique est en position effacée (figure 3 - a) ) . Avantageusement, dans cette position, le corps mobile 62 n'est pas en contact avec la deuxième extrémité 12 de la tige centrale 1. Les moyens d'appui, par l'intermédiaire de la cellule, permettent de réaliser cet enfoncement à la profondeur donnée.

Après que la pointe de mesure 11 a atteint la profondeur donnée P _A , l'étape b) est opérée ; elle consiste à actionner le corps mobile 62 pour le placer en contact avec la deuxième extrémité 12 de la tige centrale 1. Cette étape b) est facultative et ne serait notamment pas utile dans le cas où le corps mobile 62, en position effacée, serait déjà en contact avec la deuxième extrémité 12.

Puis, l'étape c) consiste à actionner le corps mobile 62 pour qu'il effectue un premier déplacement Dl, induisant un premier enfoncement contrôlé de la pointe de mesure 11 dans le sol. Le premier déplacement Dl est préférentiellement réalisé à vitesse constante. Selon un mode de réalisation avantageux, le premier déplacement Dl (correspondant à l'amplitude du premier enfoncement) est de 10mm, réalisé par exemple à une vitesse de 2cm/s. L'étape c) prévoit également la mesure de la force appliquée pour effectuer ledit premier déplacement Dl . Cette mesure de la force appliquée, représentative de la résistance du sol, permet de vérifier que la résistance de pointe mesurée à la profondeur donnée P _A est sensiblement identique à celle mesurée lors du pré-diagnostic à cette même profondeur. Préférentiellement , après le premier enfoncement, la mesure de la force de réaction transmise par la deuxième extrémité 12 au corps mobile 62, à l'arrêt (représentative de la résistance de pointe à l'arrêt Q^ ^{rr t} ) est également prévue à l'étape c) .

Les valeurs Qarr t extraites des mesures à l'étape c) sont attendues sensiblement identiques à celles mesurées lors du pré-diagnostic : elles constituent le point de départ de l'essai d'évaluation du caractère liquéfiable de la couche de sol investiguée (zone A) .

L'étape d) suivante consiste à appliquer une vibration à une fréquence déterminée à la deuxième extrémité 12 de la tige centrale 1 par l'intermédiaire du corps mobile 62 et simultanément à actionner le corps mobile 62 pour qu' il effectue un deuxième déplacement D2, induisant un deuxième enfoncement contrôlé de la pointe de mesure 11 dans le sol (figure 3 - d) ) .

Comme indiqué précédemment, la fréquence déterminée est comprise entre 1 et 5 Hertz, fréquences caractéristiques des séismes. L'objectif ici est d'appliquer localement des contraintes susceptibles de modifier les propriétés de la couche de sol, comme pourrait le faire un tremblement de terre. En parallèle de cette sollicitation, le corps mobile 62 effectue un deuxième déplacement D2 qui provoque un deuxième enfoncement de la pointe de mesure 11 dans la couche de sol mise sous contrainte vibratoire. Selon un mode de réalisation avantageux, le deuxième déplacement D2 (correspondant à l'amplitude du deuxième enfoncement) est de 30mm. L'étape d) prévoit également la mesure de la force appliquée pour effectuer le deuxième déplacement D2 : les valeurs mesurées de la force appliquée traduisent l'évolution de la résistance de pointe Q _C au cours de ce deuxième enfoncement contrôlé.

Selon un mode de réalisation avantageux, la vitesse du deuxième déplacement D ₂ est ajustée de manière à maintenir la force appliquée sensiblement constante. Le deuxième déplacement D2 est donc avantageusement réalisé à charge (force appliquée) constante. En particulier, on vise une force appliquée sensiblement égale à la valeur de force appliquée représentative de la résistance de pointe mesurée à l'étape c) . La vitesse du deuxième déplacement D ₂ est donc automatiquement augmentée ou diminuée en fonction de la force mesurée au cours de l'étape d) , dans l'objectif de maintenir celle-ci sensiblement constante.

La vitesse à laquelle le deuxième déplacement D ₂ est effectué, traduisant le temps nécessaire pour réaliser le deuxième enfoncement, à force constante, donne une indication importante sur le caractère brutal de la perte de résistance de la couche de sol sous sollicitation vibratoire.

Plusieurs cas de figures peuvent se présenter, selon les propriétés de la couche de sol analysée. Les propriétés de résistance de la couche de sol peuvent évoluer très lentement sous la sollicitation vibratoire : le deuxième déplacement D2 s'effectue alors à une faible vitesse, celle-ci étant ajustée de manière à maintenir sensiblement constante la force appliquée pour effectuer ledit deuxième déplacement D2. Dans un tel cas de figure, il apparaît que la couche de sol ne se modifie pas brusquement avec une contrainte vibratoire. Selon un autre cas de figure, la couche de sol peut perdre très rapidement sa résistance sous la sollicitation vibratoire : le deuxième déplacement D2 s'effectue alors à une vitesse élevée, celle-ci étant ajustée de manière à maintenir autant que possible constante la force appliquée pour effectuer ledit deuxième déplacement D2. Comme indiqué précédemment, le moteur du vérin électrique 6 est choisi pour que la vitesse de déplacement du corps mobile 62 puisse atteindre environ 16cm/s, pour être capable de suivre une perte brutale de portance de la couche de sol étudiée.

Les risques en cas de séisme dans l'un et l'autre cas de figures évoqués sont clairement différents : les précautions et spécifications sur les fondations d'ouvrages construits pourront être adaptées à chaque cas.

Lorsque le deuxième enfoncement contrôlé est terminé (deuxième déplacement D2 effectué), l'étape e) suivante consiste à arrêter la vibration. L'étape f) prévoit ensuite d'actionner le corps mobile

62 pour qu'il effectue un troisième déplacement D3, induisant un troisième enfoncement contrôlé de la pointe de mesure 11 dans le sol (figure 3 - f) ) . L'étape f) prévoit également de mesurer la force appliquée pour effectuer ce troisième déplacement D3. Le troisième déplacement D3 est préférentiellement réalisé à vitesse constante.

Selon un mode de réalisation avantageux, le troisième déplacement D3 (correspondant à l'amplitude du troisième enfoncement) est de 10mm, réalisé par exemple à une vitesse de 2cm/s.

Au cours de l'étape f) , en l'absence de sollicitation vibratoire, la couche de sol peut voir sa résistance évoluer de différentes manières, selon les caractéristiques de ladite couche .

Selon un premier comportement, une couche ayant rapidement perdu sa résistance sous sollicitation vibratoire pourra, en l'absence de cette dernière, retrouver sa résistance initiale . c'est un comportement de sol liquéfiable (par exemple courbe (a) sur la figure 4) .

Selon un deuxième comportement, une couche ayant rapidement perdu sa résistance sous sollicitation vibratoire pourra, en l'absence de cette dernière, revenir lors du troisième enfoncement contrôlé à une résistance Q _C inférieure à sa résistance initiale _ cela peut traduire un phénomène de type grande déformation (par exemple, courbe (b) sur la figure 4), les propriétés de résistance de la couche de sol ayant été irréversiblement modifiées par la vibration.

Enfin, selon un troisième comportement, une couche ayant rapidement perdu sa résistance sous sollicitation vibratoire pourra, en l'absence de cette dernière, revenir lors du troisième enfoncement contrôlé à une résistance Q _C

2cm,Is

supérieure à sa résistance initiale Q _C : cela peut traduire un phénomène de densification (par exemple, courbe (c) sur la figure 4), la résistance de la couche de sol ayant été renforcée par la vibration.

Avantageusement, après le troisième enfoncement, la mesure de la force de réaction transmise par la deuxième extrémité 12 au corps mobile 62, à l'arrêt, après le troisième enfoncement est également prévue à l'étape f) .

Les étapes a) à f) pourront être répétées pour d'autres profondeurs données d' investigation, de manière à analyser des couches de sol successives incluses dans une zone A suspecte de plus ou moins grande épaisseur. Le procédé et le pénétromètre 100 selon l'invention permettent ainsi d'évaluer le caractère liquéfiable de la couche de sol analysée, à partir de la vitesse de réalisation du deuxième déplacement D ₂ . La diminution plus ou moins brutale de la résistance du sol sous sollicitation vibratoire est un critère clé du caractère liquéfiable.

Par ailleurs, l'invention apporte également une information importante sur les propriétés de portance de la couche de sol analysée, à la suite d'une sollicitation vibratoire, permettant d'anticiper de potentielles modifications irréversibles de la résistance du sol.

De ce qui précède, la connaissance du comportement effectif du sol après vibration permet d'orienter les constructeurs dans leur conception d'ouvrages, et les entreprises dans leurs méthodologies de réalisation. A titre d'exemple, une densification du sol permettra d'envisager des méthodes alternatives d'amélioration de sols préalablement à la construction d'ouvrages.

A l'inverse, une perte de portance pourra conduire à la réalisation de fondations sécuritaires en connaissance objective des risques.

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.