EP3874251A1 - Procede de mesure des proprietes elasto-plastiques d'un sol grace a un penetrometre statique - Google Patents

Procede de mesure des proprietes elasto-plastiques d'un sol grace a un penetrometre statique

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Publication number
EP3874251A1
EP3874251A1 EP19813097.3A EP19813097A EP3874251A1 EP 3874251 A1 EP3874251 A1 EP 3874251A1 EP 19813097 A EP19813097 A EP 19813097A EP 3874251 A1 EP3874251 A1 EP 3874251A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring
soil
hollow tube
force
measuring tip
Prior art date
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Pending
Application number
EP19813097.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pierre RIEGEL
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EquatechR&d
Original Assignee
EquatechR&d
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Filing date
Publication date
Application filed by EquatechR&d filed Critical EquatechR&d
Publication of EP3874251A1 publication Critical patent/EP3874251A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
    • G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D1/00—Investigation of foundation soil in situ
    • E02D1/02—Investigation of foundation soil in situ before construction work
    • E02D1/022—Investigation of foundation soil in situ before construction work by investigating mechanical properties of the soil
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24—Earth materials

Definitions

  • the present invention relates to the field of geotechnics and geology. It relates to a process for measuring the elastoplastic properties of a soil using a static penetrometer. It also relates to a static penetrometer for the implementation of said method.
  • the first approach it is necessary to be able to ensure a continuous qualitative chain comprising at least: core sampling, packaging, transport, sample preparation and testing. To this, it should be noted that each sample measures only a few cm3 and that the representativeness of the analysis therefore requires a large number of samples and measurements.
  • the major drawbacks of this first approach are the cost, the reliability of the test and the time taken to obtain a result.
  • the second approach using a pressuremeter the in situ expansion tests consist in dilating in the soil, in a previously made borehole, a probe with deformable walls and in determining the relationship between the pressure applied to the soil and the displacement of the wall of the probe.
  • the pressuremeter approach nevertheless suffers from several shortcomings, in particular the impact of the quality of the drilling on the representativeness of the test, because the soil is precisely measured at the level of the walls of the drilling.
  • Another drawback lies in the complexity of the material used and the frequent bursting of the probe as soon as the test pressure and the volume of the probe increase.
  • the challenge is therefore to propose a method for measuring the elastoplastic properties of a soil, allowing relatively direct measurements, avoiding empirical correlations, and relatively simple, in particular avoiding the complexity of implementing laboratory or pressuremeter tests. . OBJECT OF THE INVENTION
  • An object of the present invention is to propose a solution overcoming the drawbacks of the state of the art, in particular a method for in situ measurement of the elastoplastic properties of a soil using a static penetrometer.
  • the present invention relates to a method for measuring the elastoplastic properties of a soil, using a static penetrometer provided with a hollow tube surrounding a central rod capable of sliding inside the hollow tube and terminated at a first end by a measuring tip.
  • the process includes the following steps:
  • the method comprises a step c ') for measuring a first intermediate displacement, associated with the insertion of the measuring tip into the ground, at the end of an intermediate duration less than the determined duration;
  • step d) includes the reiteration of step c ') in parallel with the reiteration of steps b) and c);
  • the present invention also relates to a static penetrometer for implementing the method described above, comprising:
  • At least one central rod terminated at a first end by a measuring tip, said measuring tip being intended to sink into the ground;
  • a jack comprising an external body integral with the hollow tube and a movable body, said movable body being configured to apply a force to a second end of the rod, leading to a depression of the measuring tip in the ground, and to measure a displacement associated with this depression, said second end being intended to remain above the ground,
  • An electronic controller to slave the cylinder, so as to apply a given force, for a fixed period, and to record the movement of the moving body as a function of time during the fixed period.
  • the jack is an electric jack.
  • FIG. 1 shows a method according to the invention
  • FIG. 2 shows a curve plotting the final displacement of the measuring tip as a function of the applied force, established according to a process in accordance with the invention, for extracting elastoplastic properties from the soil;
  • FIG. 3 shows a curve plotting the final displacement of the measuring tip as a function of the applied force and a curve plotting an intermediate displacement as a function of the force applied, the curves being established according to a method according to the invention, for extracting elastoplastic properties of the soil;
  • Figure 4 shows a static penetrometer for the implementation of a method according to the invention.
  • the invention relates to a method for measuring the elastoplastic properties of a soil, using a static penetrometer 100.
  • a penetrometer conventionally comprises rods connected end to end to form a string of rods at the end of which is fixed a measuring point, intended to sink into the ground to depths of up to several tens of meters.
  • the drill string In static mode, the drill string is pushed by cylinders, causing the progressive insertion of the measuring tip; this latter measure in particular the peak resistance, representative of the breaking stress Qc of the soil.
  • the measurements are recorded continuously or discontinuously at a regular step.
  • the penetrometer 100 used in the context of the invention is provided with a hollow tube 2 surrounding a central rod 1; said central rod 1 is capable of sliding inside the hollow tube 2 and is terminated at a first end by a point of sour 11 intended to be driven into the ground.
  • a well-known “Gouda” type tip may be used, having a surface at its plane section of 10 cm 2 .
  • the measurement method according to the invention firstly comprises a step a) consisting in driving the torque formed by the hollow tube 2 and the central rod 1 into the ground to bring the measuring tip 11 at a desired depth P for measuring the elastoplastic properties of the soil. Arriving at said depth P, the measuring tip 11 is erased, that is to say placed in abutment against the hollow tube 2.
  • the measurement method then comprises a step b) during which a first constant force Fi is applied to a second end of the rod 1, for a determined period t. Recall that the second end of the rod 1 is out of the ground.
  • the constant force Fi applied is transmitted by the rod 1 to the measuring tip 11, which will more or less sink into the ground, depending on the mechanical characteristics thereof.
  • the first applied force Fi may be between 100N and 500N; considering a 10 cm2 section of the measuring tip 11, this corresponds to an applied stress between 1 and 5 bars.
  • a first final displacement D is measured, associated with the insertion of the measuring tip 11 into the ground, at the end of the determined duration t.
  • the term “final” is used to describe a displacement corresponding to the displacement recorded at the end of the determined duration t.
  • Step d) of the method according to the invention consists in repeating steps b) and c), with increasing applied forces, to form a curve representing the final displacement as a function of the force applied.
  • a second constant force F 2 greater than Fi, is applied to the second end of the rod 1, for the determined duration t.
  • a measurement is made of the second final displacement D
  • a third constant force F 3 greater than F 2 , is then applied, still for the determined duration t, then a measurement of the third final displacement Df is carried out at the end of said duration t, and so on.
  • the increment between two successive applied forces is between 100 and 500N.
  • the sequence of applying a force and measuring the final displacement is repeated n times (application of yet another force F n constant, greater than F ni , and measurement of yet another final displacement D) until reaching the stress at break in soil Qc.
  • the stress at rupture of the ground will correspond to a force F n generating a maximum final displacement D due to a significant depression of the measuring tip 11.
  • the maximum displacement representative of the rupture of the ground is defined at approximately 5 cm (output amplitude of the tip 11 relative to its position erased against the hollow tube 2).
  • a curve C t can be drawn representing the final displacement as a function of the force applied (FIG. 2).
  • the curve C t is formed of a first domain E corresponding to elastic deformations of the soil. It is formed, after an inflection point I, of a second domain PI corresponding to plastic deformations of the soil, until reaching the breaking point (Qc).
  • step e) comprises the extraction of the modulus of deformation M of the soil from the slope of the curve C t final displacement / force, in the first domain E of elastic deformation situated before a point of inflection I.
  • the deformation modulus M in MPa / m, is calculated from the expression: with p the slope of the first
  • the method according to the invention also makes it possible to determine the creep stress (Qf), the elastic limit of the soil. Indeed, starting from the curve C t final displacement / force, the force F f corresponding to the inflection point I, translates said creep stress Qf.
  • the creep stress is expressed:
  • the method according to the invention gives a value of the permissible stress Qa based on the management of the permissible settlement with respect to the structure, which makes it much more relevant.
  • the method comprises a step c ') during which the intermediate displacements are measured as a function of time, said intermediate displacements being associated with the gradual sinking of the measuring tip 11 during the determined duration t .
  • the difference AD between the intermediate displacement Dé measured at the end of tl (for example 15 seconds) and the final displacement D measured at the end of the determined duration (eg 60s) is representative of the liquefaction potential of the soil.
  • a deviation AD greater than 20% could reflect a potentially liquefiable soil.
  • the applicant has developed a method for the pre-identification of liquefiable soils (cf. H. Hosseini-Sadrabadi et al, “Identification of liquefiable soils by static penetrometer: principle and numerical modeling ", National Geotechnical and Engineering Geology Days, Nancy 2016) based on static penetration tests with double measurement: a resistance measurement of n2cm / s
  • the method according to the invention by giving access to the deviation D ⁇ , could reinforce the representativeness of the deviation AQ C vis-à-vis the pore pressures and the liquefaction potential of the soil considered.
  • step a) of the method the couple hollow tube 2 / central rod 1 of the static penetrometer 100 may be driven into the ground according to a conventional static mode, allowing a measurement of the breaking stress. from the ground as a function of the depth, up to the desired depth P for the elastoplastic measurement.
  • the couple hollow tube 2 / central rod 1 can be introduced into a hole previously drilled in the ground up to the depth P desired for the elastoplastic measurement.
  • the soil to be analyzed, under the tip was not modified by the step of bringing the tube / rod couple, which ensures good representativeness of the measurements.
  • the measurement method according to the invention uses a static penetrometer 100, provides an in situ measurement means for directly reconstructing the action / reaction relationship of a foundation / soil assembly by giving access to the effective behavior under soil load: lift, settlements, creep over time.
  • the measurement process is not conditioned in its result by the quality of the execution of the drilling, nor by the heterogeneity of the soil, nor even by the sensitivity or the complexity of the measurement equipment used. .
  • the present invention also relates to a static penetrometer 100 for measuring the elastoplastic properties of a soil.
  • the penetrometer 100 (FIG. 4) comprises at least one central rod 1 terminated at one end by a measuring tip 11. It also comprises at least one hollow tube 2 surrounding the central rod 1. The respective diameters of the hollow tube 2 and of the central rod 1 are adapted so that the latter can slide freely inside the hollow tube 2.
  • the couple formed by the central rod 1 and the hollow tube 2 is intended to sink into the ground, the tip 11 at the head.
  • additional rods 1 and tubes 2 can be connected end at the end, to form a train of rod / tube pairs, which can be driven into the ground over several tens of meters. It being understood that a second end of the rod 1 and of the hollow tube (or second end of the drill string and of the train of hollow tubes) is intended to remain above ground, on the surface.
  • the penetrometer 100 further comprises a jack 6 comprising an external body 61 integral with the hollow tube 2 and a movable body 62 capable of coming into contact with the central rod 1.
  • the movable body 62 is capable of achieving a maximum displacement of approximately 7 cm between a retracted position (movable body 62 retracted and measuring tip 11 abutting against the hollow tube 2) and a deployed position (movable body 62 extended to the maximum , peak output 11 maximum).
  • the movable body 62 is configured to apply a force to a second end 12 of the central rod 1, which will lead to a more or less significant depression of the measuring tip 11, depending on the characteristics of the soil. The displacement of the movable body 62, associated with this depression is measured.
  • the power of the actuator motor is preferably chosen so that the movable body 62 is capable of applying forces typically between 100N and 20kN.
  • the jack 6 is an electric jack.
  • the penetrometer 100 also includes an electronic controller 7 for controlling the actuator 6, so as to apply a given force, for a determined duration t, and to record the movement of the mobile body 62 as a function of time, and this for the determined duration t .
  • the penetrometer according to the present invention offers a practical and industrial solution allowing the efficient and economical implementation of the aforementioned method for measuring the elasto-plastic properties of a soil.
  • the penetrometer 100 according to the invention advantageously comprises support means integral with the hollow tube 2 by means of a clamping jaw 3.
  • the support means allow a depression in static mode in the ground of the couple formed by the hollow tube 2 and the central rod 1 up to the given depth (s) to be investigated.
  • the support means may in particular consist of a hydraulic cylinder.
  • the mobile part of the hydraulic cylinder fixed to the hollow tube 2 applies to it the pressing force necessary for the continuous sinking of the tube / rod couple.
  • the fixed part of the hydraulic cylinder must be secured to a reaction block.
  • the support means may include a self-propelled hydraulic group, for actuating the hydraulic cylinder.
  • the support means are held by a chassis.
  • the chassis is provided with at least one mechanical connection element intended to be connected to the reaction mass.
  • This mechanical connection element may for example consist of a hydraulic or mechanical clamp, or even a vice of the same type.
  • the fact that the chassis is equipped with such a mechanical connection element makes it connectable to any kind of reaction mass.

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Abstract

L'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 comprenant 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; 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.

Description

PROCEDE DE MESURE DES PROPRIETES ELASTO-PLASTIQUES D'UN SOL GRACE A UN PENETROMETRE STATIQUE
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 10cm2.
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 F2 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 F2.
Une troisième force F3 constante, supérieure à F2, 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 Fn constante, supérieure à Fn-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 Fn engendrant un déplacement final D maximal dû à un important enfoncement de la pointe de mesure 11. Rappelons que la force Fn est reliée à la contrainte par la relation : Qc = Fn / S, S étant la surface de la section plane de la pointe de mesure 11 (par exemple 10cm2) .
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 Ct représentant le déplacement final en fonction de la force appliquée (figure 2) . La courbe Ct 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 Ct déplacement final / force, dans le premier domaine E de déformation élastique situé avant un point d' inflexion I .
La pente p de la courbe Ct 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 Ct déplacement final / force, la force Ff correspondant au point d'inflexion I, traduit ladite contrainte de fluage Qf.
La contrainte de fluage s'exprime :
Ff
Qf = avec Ff 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 Ct 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-f1 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) Cti (Ct2,...) représentant le déplacement intermédiaire en fonction de la force appliquée (figure 3) . La courbe Cti présente, comme la courbe Ct, 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 Ff correspondant au point d' inflexion I de la courbe Ct, 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 Qc à une vitesse constante d'enfoncement de 2cm/s et une mesure de la résistance de pointe à l'arrêt Qc rret . L'écart
_ Q2Cm/S-Q rrêt
^Qc 2cm/s semble caractéristique de l'évolution des pressions interstitielles dans le sol. Plus cet écart QC 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 AQC 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.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure des propriétés élasto-plastiques d'un sol, utilisant un pénétromètre (100) statique muni d'un tube creux (2) entourant une tige centrale (1) apte à coulisser à l'intérieur du tube creux (2) et terminée à une première extrémité par une pointe de mesure (11), le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) 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 (P) souhaitée pour la mesure des propriétés élasto-plastiques du sol, ladite pointe de mesure (11) étant en butée contre le tube creux (2) ;
b) Appliquer une première force constante à une deuxième extrémité de la tige (1) hors du sol, pendant une durée déterminée (t) ;
c) Mesurer un premier déplacement final, associé à l'enfoncement de la pointe de mesure (11) dans le sol, au bout de la durée déterminée (t) ;
d) Réitérer les étapes b) et c) avec des forces croissantes successives, pour former une courbe (Ct) représentant le déplacement final en fonction de la force, jusqu'à atteindre une énième force menant à un énième déplacement final traduisant la contrainte à la rupture du sol ;
e) Extraire un module de déformation du sol à partir de la pente de ladite courbe (Ct) , dans un premier domaine (E) élastique situé avant un point d'inflexion (I) .
2. Procédé de mesure des propriétés élasto-plastiques d'un sol selon la revendication précédente, dans lequel la force correspondant au point d' inflexion de la courbe ramenée à la section de la pointe de mesure (11) correspond à la contrainte de fluage (Qf) , limite élastique du sol.
3. Procédé de mesure des propriétés élasto-plastiques d'un sol selon la revendication précédente, dans lequel une valeur de contrainte admissible (Qa) est définie à la moitié de la contrainte de fluage (Qf) .
4. Procédé de mesure des propriétés élasto-plastiques d'un sol selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la durée déterminée est 60 secondes.
5. Procédé de mesure des propriétés élasto-plastiques d'un sol selon l'une des revendications précédentes, comprenant une étape c' ) pour mesurer un premier déplacement intermédiaire, associé à l'enfoncement de la pointe de mesure (11) dans le sol, au bout d'une durée intermédiaire (tl) inférieure à la durée déterminée (t) .
6. Procédé de mesure des propriétés élasto-plastiques d'un sol selon la revendication précédente, dans lequel l'étape d) comprend la réitération de l'étape c' ) .
7. Procédé de mesure des propriétés élasto-plastiques d'un sol selon l'une des deux revendications précédentes, dans lequel, pour la force correspondant au point d'inflexion de la courbe (Ct) , 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.
8. Procédé de mesure des propriétés élasto-plastiques d'un sol selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le couple formé par le tube creux (2) et la tige centrale (1) du pénétromètre (100) statique est introduit dans un trou préalablement foré, à l'étape a), pour amener la pointe de mesure (11) à la profondeur (P) souhaitée pour la mesure des propriétés élasto-plastiques du sol.
9. Pénétromètre (100) statique pour la mise en œuvre du procédé de mesure des propriétés élasto-plastiques d'un sol selon les revendications précédentes, comprenant :
• Au moins une tige centrale (1) terminée à une première extrémité par une pointe de mesure (11), ladite pointe de mesure étant destinée à s'enfoncer dans le sol ;
• Au moins un tube creux (2) entourant la tige centrale
(1), cette dernière étant apte à coulisser à l'intérieur du tube creux (2) ;
• Un vérin (6) comportant un corps externe (61) solidaire du tube creux (2) et un corps mobile (62), ledit corps mobile (62) étant configuré pour appliquer une force à une deuxième extrémité (12) de la tige centrale (1), menant à un enfoncement de la pointe de mesure (11) dans le sol, et pour mesurer un déplacement associé à cet enfoncement, la deuxième extrémité étant destinée à demeurer hors du sol,
• Un contrôleur électronique pour asservir le vérin (6), de manière à appliquer une force donnée, pendant une durée déterminée, et à enregistrer le déplacement du corps mobile (62) en fonction du temps pendant la durée déterminée .
10. Pénétromètre (100) statique selon la revendication précédente, dans lequel le vérin est un vérin électrique.
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