FR2710155A1 - Improvements to methods and devices for in situ measurement of swelling characteristics of soil - Google Patents
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Abstract
Description
Perfectionnements aux procédés et dispositifs de mesures in-situ des
caractéristiques de gonflement d'un sol
La présente invention a pour objet des perfectionnements aux procédés et dispositifs de mesures in-situ des caractéristiques de gonflement d'un sol.Improvements to in-situ measurement methods and devices
swelling characteristics of a soil
The present invention relates to improvements to the methods and devices for in-situ measurement of the swelling characteristics of a soil.
Le secteur technique de l'invention est la fabrication de matériel et d'appareillage pour effectuer des essais et des mesures de mécanique des sols in situ. The technical sector of the invention is the manufacture of equipment and apparatus for carrying out tests and measurements of soil mechanics in situ.
Une des applications principales de l'invention est la détermination de la capacité de gonflement d'un sol préalablement à la construction d'un ouvrage sur celui-ci. One of the main applications of the invention is the determination of the swelling capacity of a soil prior to the construction of a structure on it.
Un procédé et un dispositif, pour effectuer de telles mesures pour cette application, ont déjà fait l'objet d'une demande de brevet par le déposant ERG et publié sous le numéro 2648232 le 14 décembre 1990. Dans cette demande, il est rappelé le contexte et l'intérêt de cette application, et il y est décrit des procédés et dispositifs développés pour cela : on en reprend ici les principes, et on peut considérer que la présente invention porte sur des perfectionnements. A method and a device for carrying out such measurements for this application have already been the subject of a patent application by the applicant ERG and published under the number 2648232 on December 14, 1990. In this request, it is recalled on context and interest of this application, and there is described methods and devices developed for this: the principles are repeated here, and it can be considered that the present invention relates to improvements.
En effet, de nombreux ouvrages, des maisons d'habitation de faible hauteur ou des implantations industrielles ont eu à subir des dommages du fait des sols expansifs, et spécialement des sols gonflants ; on a pu remarquer que ces problèmes se présentent toujours dans des sols argileux, sous des climats arides ou semi-arides, c'està-dire en milieu non saturé. In fact, numerous structures, low-rise residential houses or industrial establishments have suffered damage due to expansive soils, and especially swelling soils; it has been noted that these problems always occur in clay soils, in arid or semi-arid climates, that is to say in an unsaturated environment.
En FRANCE, plusieurs cas de désordres ont été répertoriés dans la région parisienne par Monsieur PHILIPPONNAT. D'autres exemples sont cités en ROUMANIE (Monsieur POPESCU), au SENEGAL (Monsieur THUREAU) ou aux ETATS-UNIS (Monsieur CHEN) ou en CHINE par exemple. In FRANCE, several cases of disorders have been listed in the Paris region by Mr. PHILIPPONNAT. Other examples are cited in ROMANIA (Mr. POPESCU), in SENEGAL (Mr. THUREAU) or in the UNITED STATES (Mr. CHEN) or in CHINA for example.
Les sols argileux expansifs provoquent ainsi de graves problèmes aux constructions, et ce d'autant plus que celles-ci sont légères. De plus, ces désordres s'amplifient avec le temps, de manière très lente, au fur et à mesure de la perte de rigidité des ouvrages. Les désordres les plus courants dus aux sols gonflants sont des déformations différentielles, ainsi que des fissurations s'ouvrant et se refermant au rythme des saisons et donc du cycle retrait-gonflement du sol argileux. Expansive clay soils cause serious problems for buildings, especially since they are light. In addition, these disorders increase over time, very slowly, as the rigidity of the structures decreases. The most common disorders due to swelling soils are differential deformations, as well as cracks opening and closing at the rhythm of the seasons and therefore of the shrinkage-swelling cycle of clay soil.
Ce sont des désordres de ce genre qui conduisent parfois à la ruine de certaines constructions. Les parties les plus exposées à l'action des sols gonflants sont les fondations et de nombreuses dispositions constructives sont préconisées, en vue de leur protection, mais sans optimisation si l'on manque de mesure et de connaissance de la valeur des caractéristiques de gonflement du sol considéré et donc du risque encouru, ce qui coûte alors cher quand on veut être sûr d'éviter tout risque en surprotégeant les fondations. These are disorders of this kind which sometimes lead to the ruin of certain constructions. The parts most exposed to the action of swelling floors are the foundations and numerous constructive measures are recommended, with a view to their protection, but without optimization if there is a lack of measurement and knowledge of the value of the swelling characteristics of the soil considered and therefore the risk involved, which is expensive when you want to be sure to avoid any risk by overprotecting the foundations.
On peut utiliser en particulier
- un traitement préventif du sol de fondation;
- une adaptation des structures;
- un drainage périphérique en vue d'obtenir un équilibre hydrique du sol.We can use in particular
- preventive treatment of the foundation soil;
- adaptation of structures;
- peripheral drainage in order to obtain a water balance in the soil.
Ces dispositions préventives coûtant cher, quand on manque, d'optimisation sont alors souvent plutôt ignorées. These costly preventive measures, when optimization is lacking, are therefore often rather overlooked.
I1 apparaît donc nécessaire d'arriver à prévenir et à quantifier le gonflement des sols de fondation, et donc d'être capable de déterminer par un essai soit in situ, soit de laboratoire, la propension au gonflement futur de l'argile constituant le sol à étudier. It therefore appears necessary to be able to prevent and quantify the swelling of the foundation soils, and therefore to be able to determine by a test either in situ or in the laboratory, the propensity for future swelling of the clay constituting the soil. to study.
En effet, il n'est pas possible de connaître le comportement d'un sol sans effectuer des essais sur un échantillon de celui-ci ou sur place : les mécanismes de réaction d'un sol sont très complexes et sont liés à sa structure interne qui est souvent très hétérogène et non répétitive. Ainsi, on peut classer les sols par catégorie mais sans pouvoir en quantifier les caractéristiques en dehors d'essai de nombreuses publications, mesures et études ont été faites et sont faites sur chaque paramètre concerné par les problèmes du gonflement qui nous préoccupent, tels que, pour les sols non saturés, la succion dans les sols, le comportement hydrodynamique et l'écoulement de l'eau, la contrainte effective, la résistance au cisaillement etc .... Indeed, it is not possible to know the behavior of a soil without carrying out tests on a sample of it or on site: the reaction mechanisms of a soil are very complex and are linked to its internal structure which is often very heterogeneous and not repetitive. So, we can classify the soils by category but without being able to quantify the characteristics apart from testing, numerous publications, measurements and studies have been made and are made on each parameter concerned by the problems of swelling which concern us, such as, for unsaturated soils, suction in soils, hydrodynamic behavior and water flow, effective stress, shear resistance, etc.
Divers appareils ont été développés pour effectuer des mesures de ces paramètres, sachant que, pour un paramètre donné, il existe une gamme d'appareillages, fonction souvent de la gamme de valeur à mesurer. Cependant, il s'avère que le renseignement principal concernant l'étude des sols non saturés est celui de la valeurs de sa succion : il existe une corrélation entre la baisse de celle-ci et l'augmentation du gonflement, laquelle corrélation est une des clés de la perception des mécanismes et des paramètres du gonflement. Various devices have been developed for measuring these parameters, knowing that, for a given parameter, there is a range of apparatus, often a function of the range of values to be measured. However, it turns out that the main information concerning the study of unsaturated soils is that of the values of its suction: there is a correlation between the decrease of this and the increase in swelling, which correlation is one of the keys to the perception of the mechanisms and parameters of swelling.
Cette aptitude au gonflement d'un sol est étudiée à ce jour, soit en laboratoire à base d'essais dit woedométrique" sur échantillons, soit sur site avec du matériel réalisé suivant la demande de brevet de la société ERG déposée précédemment et rappelée ci-dessus, sous le numéro 2648232, mais étant expérimental, ce matériel ne permet pas d'effectuer d'une manière fiable et efficace des mesures industrielles : de tels appareils existant à ce jour sont en effet des prototypes qui ont permis de vérifier la faisabilité des procédés mais ont montré également une certaine limite opérationnelle. This swelling ability of a soil has been studied to date, either in a laboratory based on so-called woedometric tests on samples, or on site with equipment produced according to the patent application from the ERG company filed previously and recalled below. above, under the number 2648232, but being experimental, this equipment does not allow industrial measurements to be carried out in a reliable and efficient manner: such devices existing to date are indeed prototypes which have made it possible to verify the feasibility of the methods but have also shown a certain operational limit.
Ainsi, en laboratoire, la méthode la plus classique, à quelques variantes près, est celle préconisée par PAREZ et BACHELIER qui empêche par un contrepoids asservi l'échantillon de gonfler et permet sans difficulté de déterminer la valeur après stabilisation, de la pression exercée, qui est la pression de gonflement. Thus, in the laboratory, the most classic method, with a few variations, is that recommended by PAREZ and BACHELIER which prevents the sample from swelling by a controlled counterweight, and makes it easy to determine the value after stabilization, which is the swelling pressure.
En effet, la pression de gonflement d'un sol peut être définie soit
- comme la pression qu'il faut appliquer à un sol pour qu'aucune variation de volume n'intervienne dans celui-ci lors de sa saturation;
- comme la pression qu'il faut exercer sur un sol pour le ramener après saturation à son volume initial avant saturation.Indeed, the inflation pressure of a soil can be defined either
- as the pressure that must be applied to a soil so that no variation in volume occurs in it during its saturation;
- like the pressure that must be exerted on a soil to bring it after saturation to its initial volume before saturation.
La première de ces deux définitions est la plus classique et reste celle employée par la plupart des auteurs. The first of these two definitions is the most classic and remains the one used by most authors.
Cependant, ces méthodes considèrent le problème de gonflement comme étant un phénomène unidirectionnel, alors que la mise en évidence de l'anisotropie du gonflement dans les sols non saturés doit inciter à ne pas se limiter à une seule direction de gonflement, mais à l'étudier sur des appareils dérivant plus d'une cellule tri-axiale que d'un "oedomètre". However, these methods consider the swelling problem to be a unidirectional phenomenon, while the demonstration of the anisotropy of the swelling in unsaturated soils should encourage not to limit itself to a single direction of swelling, but to the study on devices deriving more from a tri-axial cell than from an "oedometer".
De plus, ces essais en laboratoire sont longs, chers, ne donnent pas une réponse en temps réel, retardent donc l'information et la décision et perturbent l'organisation d'un chantier. Par ailleurs, l'échantillon qui est véhiculé du site en laboratoire peut changer d'état en cours de transport et dans le temps, et les valeurs mesurées ne sont plus représentatives. In addition, these laboratory tests are long, expensive, do not give a response in real time, therefore delay information and decision and disrupt the organization of a site. In addition, the sample that is transported from the site to the laboratory can change state during transport and over time, and the measured values are no longer representative.
Ceci explique du reste d'autant plus que ces essais en laboratoire ne sont que peu réalisés pour les besoins d'un chantier, pour lequel soit on fait alors l'impasse, soit on surprotège les risques ; ces essais sont utilisés surtout dans la recherche et les expertises, et il est inimaginable d'utiliser du reste les appareils correspondants pour une mise en oeuvre sur le terrain. This explains, moreover, all the more so since these laboratory tests are scarcely carried out for the needs of a site, for which either one then makes an impasse, or one overprotects the risks; these tests are mainly used in research and expertise, and it is unimaginable to use the rest of the corresponding devices for implementation in the field.
Aussi comme par ailleurs depuis plusieurs années, la majorité des études courantes de fondation sont effectuées en ayant recours exclusivement à des essais in situ comme moyen de paramétrer les calculs de fondation, à partir de pénétromètres par exemple ou des matériels commercialisés sous la marque "Pressiomètre" particulièrement, il s'est avéré utile et intéressant de pouvoir effectuer également des mesures de gonflement in situ, ce qui était l'objectif de la demande de brevet précédente citée ci-dessus. Also as elsewhere for several years, the majority of current foundation studies are carried out using exclusively in situ tests as a means of configuring the foundation calculations, using penetrometers for example or materials sold under the brand "Pressiometer "In particular, it has proved useful and interesting to be able to also carry out swelling measurements in situ, which was the objective of the previous patent application cited above.
De plus, dans le cadre de la présente invention, il est envisagé et préférable si possible, d'utiliser le maximum de moyens de mise en oeuvre qui seraient communs aux autres essais et mesures effectuées dans le sol. In addition, in the context of the present invention, it is envisaged and preferable if possible, to use the maximum of means of implementation which would be common to other tests and measurements carried out in the ground.
Divers équipements en effet, existent pour la mesure de pression et de cisaillement in situ dans un sol : on peut citer dans ce domaine divers brevets qui ont été déposés depuis plusieurs années, comme en particulier ceux de la Société MENARD, qui en est le précurseur depuis plus de 30 ans et est titulaire de la marque déposée désignant ce matériel, le "PRESSIOMETRE". Un de ses derniers brevets publié le 18
Mars 1983 sous le NO. 2.512.860, intitulé "Dispositif de commande de surface de type numérique pour essai de sols et de roches in situ avec sonde profonde" revendique essentiellement des moyens et des procédés de calcul à partir des mesures relevées pour obtenir des résultats sur le site, malgré les contraintes d'opération. Les appareils "PRESSIOMETRE" utilisés par cette société pour obtenir ces mesures, sont connus par ailleurs et comprennent
- une sonde profonde comportant une cellule principale dilatable, gonflable par pression de liquide, et généralement encadrée de deux cellules de garde du même genre, qui sont, elles, sollicitées sous pression gazeuse et,
- relié à la sonde profonde par une tubulure mixte liquide-gaz, un dispositif de surface permettant de faire varier la ou les pressions, en même temps que de détecter les variations de volume de la cellule principale.Various equipment indeed exists for the measurement of pressure and shear in situ in a soil: we can cite in this field various patents which have been filed for several years, like in particular those of the MENARD Company, which is the precursor for over 30 years and is the holder of the registered trademark designating this material, the "PRESSIOMETER". One of his last patents published on the 18th
March 1983 under NO. 2.512.860, entitled "Digital type surface control device for soil and rock testing in situ with deep probe" essentially claims means and methods of calculation from measurements taken to obtain results on the site, despite operating constraints. The "PRESSIOMETER" devices used by this company to obtain these measurements are known elsewhere and include
a deep probe comprising a main expandable cell, inflatable by liquid pressure, and generally surrounded by two guard cells of the same kind, which are themselves acted on under gas pressure and,
- connected to the deep probe by a mixed liquid-gas tube, a surface device making it possible to vary the pressure or pressures, at the same time as detecting the variations in volume of the main cell.
D'autres détails sur ces appareils sont disponibles dans 1'ouvrage "THE PRESSUREMETER AND FOUNDATION ENGINEERING" par F. More details on these devices are available in the book "THE PRESSUREMETER AND FOUNDATION ENGINEERING" by F.
BAGNELIN, J.F. JEZEQUEL, D.H. SHIELDS, dans la série on Rock and Soil
Mechanics, Vol. 2 (1974/77) NO. 4, Trans. Tech. Publications,
Clansthal, Germany, 1978".BAGNELIN, JF JEZEQUEL, DH SHIELDS, in the series on Rock and Soil
Mechanics, Vol. 2 (1974/77) NO. 4, Trans. Tech. Publications,
Clansthal, Germany, 1978 ".
Ainsi ces appareils, comme d'autres pour des mesures d'autres paramètres du sol comme le cisaillement, donnent des résultats de mesure de pression du sol, mais aucun dans leur configuration connue actuelle et leur possibilité d'utilisation, ne permet de mesurer et de connaitre la dilatation et la pression de gonflement dans le sol, en particulier en n'autorisant pas directement l'application des procédés objet de la demande de brevet précédente du déposant ERG. Thus these devices, like others for measurements of other soil parameters such as shear, give results of soil pressure measurement, but none in their current known configuration and their possibility of use, makes it possible to measure and to know the expansion and the pressure of swelling in the ground, in particular by not authorizing directly the application of the processes object of the previous patent application of the applicant ERG.
Cette dernière demande décrit et revendique en effet des procédés et dispositifs permettant, à partir de moyens également en partie existants, de mise en oeuvre de matériel connu pour la mesure de pression de sol in situ, d'adapter une sonde et un appareillage de surface pour mesurer justement les caractéristiques du sol sur chantier. Cependant, si les moyens généraux exposés sont satisfaisants pour obtenir ce résultat, les réalisations particulières décrites, par exemple pour obtenir l'injection d'eau dans le sol autour de la sonde grâce à une double paroi poreuse dans la partie inférieure d'une des parties de la sonde, ne sont pas entièrement satisfaisantes : en effet, les orifices de ladite double paroi ont tendance à être colmatés et n'assurent pas une homogénéité de répartition de l'eau dans le sol. Par ailleurs, les moyens de contrôle de la pression du fluide dans lesdites parties de la sonde, n'y sont pas décrits et l'expérience a montré que l'utilisation connue de réservoir accumulateur dans lequel on essaie de contrôler la pression par un volume tampon de gaz, n'est pas satisfaisante quand on veut travailler à pression constante et volume variable ou inversement, comme c'est le cas du procédé de l'invention. This latter application describes and claims, in fact, methods and devices making it possible, using also partially existing means, to use known material for measuring soil pressure in situ, to adapt a probe and a surface apparatus. to precisely measure the characteristics of the soil on site. However, if the general means described are satisfactory for obtaining this result, the particular embodiments described, for example for obtaining the injection of water into the soil around the probe by means of a porous double wall in the lower part of one of the parts of the probe are not entirely satisfactory: in fact, the orifices of said double wall tend to be clogged and do not ensure a homogeneous distribution of the water in the soil. Furthermore, the means for controlling the pressure of the fluid in said parts of the probe are not described there and experience has shown that the known use of an accumulator tank in which an attempt is made to control the pressure by a volume gas buffer, is not satisfactory when one wants to work at constant pressure and variable volume or vice versa, as is the case of the method of the invention.
Ainsi, d'unepart le problème posé de base est le même que dans le cas de la précédente demande citée, dont on utilise les mêmes principes de procédé et de combinaison de moyens généraux, pour la mesure de pression de sol in situ, et d'autre part en plus l'objectif est de pouvoir réaliser un équipement fiable, simple, apte à être utilisé sur les chantiers sans contrainte de mise en oeuvre, et donnant des résultats satisfaisants et répétitifs sans risque de mauvais fonctionnement. Thus, from a part the basic problem posed is the same as in the case of the previous application cited, the same principles of process and combination of general means being used, for measuring soil pressure in situ, and d on the other hand, the objective is to be able to produce reliable, simple equipment, suitable for use on construction sites without constraint of implementation, and giving satisfactory and repetitive results without risk of malfunction.
Une solution au problème posé est un perfectionnement aux procédés de mesures in situ des caractéristiques de gonflement d'un sol tel que ceux décrits dans la demande de brevet précédente, soit à partir d'un équipement comprenant une sonde comportant au moins deux parties superposées et dilatables indépendamment l'une de l'autre, des moyens pour introduire cette sonde dans le sol, des moyens pour dilater ces deux parties et en contrôler la pression radiale exercée sur le sol et des moyens pour apporter un fluide donné d'imbibition dans le sol autour de la sonde; le procédé suivant la présente invention est tel que
- on introduit dans un forage réalisé dans le sol à étudier, ladite sonde à la profondeur voulue et on dilate avec un fluide de gonflement une des parties de la sonde pour, d'une part, réaliser un essai pressiométrique normal connu du sol et, d'autre part, assurer une étanchéité donnée entre cette partie de sonde et celui-ci;
- on apporte dans ledit sol entourant au moins toute la périphérie de la deuxième partie de la sonde, ledit fluide donné depuis une couronne située entre les deuxdites parties de sonde, jusqu'à saturation du sol proche;
- on dilate la deuxième partie de la sonde avec un fluide de gonflement et on contrôle l'apport de celui-ci d'une manière connue soit, pour maintenir la pression constante de cette deuxième partie de sonde en mesurant simultanément sa variation de volume, soit pour maintenir le volume de celle-ci constant en mesurant alors sa pression
- on enregistre lesdites mesures de pression et de volume dans cette deuxième partie de la sonde pendant une durée correspondant à une diffusion cylindrique du fluide dans le sol ; soit en fait une durée de l'ordre de 45 minutes à 1 heure car, au-delà, du fait de la diffusion tout autour de la sonde, on obtient des différences d'absorption qui provoquent une non cylindricité du front d'imbibition ce qui, bien sûr, fausse la mesure au-delà de la durée ci-dessus ; de plus, le temps entre l'apport dans le sol du fluide, tel que l'eau, par la couronne médiane jusqu'à saturation du sol proche, tel qu'indiqué précédemment, et le moment où on gonfle la deuxième partie de la sonde, doit être très court, de l'ordre de quelques minutes.One solution to the problem posed is an improvement to the methods for in situ measurement of the swelling characteristics of a soil such as those described in the previous patent application, either from equipment comprising a probe comprising at least two superposed parts and independently expandable from each other, means for introducing this probe into the ground, means for expanding these two parts and controlling the radial pressure exerted on the ground and means for bringing a given imbibition fluid into the soil around the probe; the process according to the present invention is such that
said probe is introduced into a borehole made in the soil to be studied to the desired depth, and one of the parts of the probe is expanded with a swelling fluid to, on the one hand, carry out a known normal pressuremeter test of the soil and, on the other hand, provide a given seal between this part of the probe and the latter;
- Is brought into said soil surrounding at least the entire periphery of the second part of the probe, said fluid given from a ring located between the two said probe parts, until saturation of the nearby soil;
the second part of the probe is dilated with a swelling fluid and the supply of this is controlled in a known manner, either to maintain the constant pressure of this second part of the probe by simultaneously measuring its variation in volume, either to keep the volume of the latter constant by measuring its pressure
- Said pressure and volume measurements are recorded in this second part of the probe for a period corresponding to a cylindrical diffusion of the fluid in the soil; or in fact a duration of the order of 45 minutes to 1 hour because, beyond, due to the diffusion all around the probe, we obtain absorption differences which cause a non-cylindricity of the imbibition front this which, of course, distorts the measurement beyond the above duration; in addition, the time between the intake of fluid, such as water, into the soil by the middle crown until saturation of the nearby soil, as indicated above, and the moment when the second part of the probe, should be very short, on the order of a few minutes.
Dans un mode préférentiel de réalisation, on utilise comme moyen de dilatation des parties de sonde, des vérins d'injection de fluide de gonflement, motorisés et asservis, avec un temps de réaction de commande rapide, par une unité centrale programmée pour cela, tel que
- on contrôle la pression dans chaque partie de sonde par mesure directe dans la chambre du piston qui l'alimente, en corrigeant de la hauteur h de colonne de fluide de gonflement séparant celle-ci de la partie de sonde correspondante
- on contrôle le volume de la chambre du piston, en mesurant la position relative de celui-ci par rapport à la chambre, et on en déduit ainsi le volume de la partie de sonde avec qui elle communique par un réseau d'alimentation, l'ensemble du procédé de mesure s'effectuant à volume total constant pour chaque partie de la sonde.In a preferred embodiment, as a means of expansion of the probe parts, cylinders for injecting inflation fluid, motorized and controlled, with a rapid command reaction time, by a central unit programmed for this, such than
- the pressure in each part of the probe is controlled by direct measurement in the chamber of the piston which supplies it, by correcting the height h of the swelling fluid column separating it from the corresponding part of the probe
the volume of the piston chamber is controlled, by measuring the relative position of the latter with respect to the chamber, and the volume of the probe part with which it communicates by means of a supply network is thus deduced therefrom. The entire measurement process is carried out at constant total volume for each part of the probe.
L'objectif de la présente invention est également atteint avec un dispositif du même type que celui indiqué précédemment, et dans lequel ladite sonde comporte un corps central d'une seule pièce pour ses deux parties, dilatables indépendamment et comprenant chacune une membrane de mesure fixée sur ladite pièce, et une couronne médiane solidaire dudit corps central et en forme de gorge périphérique tournée vers le haut et dans laquelle ledit fluide d'imbibition donné est apporté et s'écoule uniformément dans le sol. The objective of the present invention is also achieved with a device of the same type as that indicated above, and in which said probe comprises a central body in one piece for its two parts, expandable independently and each comprising a fixed measurement membrane on said part, and a central crown integral with said central body and in the form of a peripheral groove facing upwards and in which said given imbibition fluid is supplied and flows uniformly in the ground.
Le résultat est de nouveaux procédés et dispositifs de mesure in situ des caractéristiques de gonflement d'un sol qui sont en fait des perfectionnements à ceux déjà connus à ce jour. Ces procédés et dispositifs suivant l'invention apportent de nombreux avantages par rapport aux techniques actuelles, en permettant d'atteindre les objectifs recherchés et de résoudre le problème posé. The result is new methods and devices for in situ measurement of the swelling characteristics of a soil which are in fact improvements to those already known to date. These methods and devices according to the invention provide numerous advantages over current techniques, making it possible to achieve the objectives sought and to solve the problem posed.
En effet, d'une part on peut ainsi réaliser les procédés tels que décrits dans la demande de brevet précédente, mais également ceux décrits dans la présente demande, en utilisant des équipements spécifiques mais qui peuvent être associés et connectés à des matériels déjà connus et utilisés par ailleurs dans d'autres systèmes de mesure de pression. Indeed, on the one hand, it is thus possible to carry out the methods as described in the previous patent application, but also those described in the present application, using specific equipment but which can be associated and connected to already known equipment and also used in other pressure measurement systems.
D'autre part, les deux parties de la sonde suivant l'invention sont identiques et peuvent donc jouer chacune le rôle de l'autre, ce qui donne une souplesse d'utilisation importante en particulier pour des mesures de fond de trou ou pour des mesures en cours de forage, comme indiqué ci-après. On the other hand, the two parts of the probe according to the invention are identical and can therefore each play the role of the other, which gives considerable flexibility of use in particular for downhole measurements or for measurements during drilling, as indicated below.
La répartition du fluide d'imbibition, tel que l'eau, dans le sol périphériquement à ladite sonde, est réalisée par une gorge continue périphérique et située entre les deux parties de la sonde, ce qui évite tout risque d'obturation de paroi poreuse, comme décrite dans le brevet précédent : la disposition particulière de la gorge orientée vers le haut et non pas vers le bas, permet une meilleure répartition uniforme tout autour avec une seule arrivée d'eau par le corps central de la sonde. The distribution of the imbibition fluid, such as water, in the soil peripherally to said probe, is carried out by a continuous peripheral groove and located between the two parts of the probe, which avoids any risk of obturation of porous wall , as described in the previous patent: the particular arrangement of the groove oriented upwards and not downwards, allows a better uniform distribution all around with a single inlet of water through the central body of the probe.
De plus, le choix particulier des moyens de dilatation depuis la surface des parties de sonde, permet de pouvoir contrôler efficacement avec une grande précision, à la fois la pression et le volume de chaque partie de la sonde, ce qui permet d'obtenir des résultats fiables et précis pour la mesure de gonflement de sol : en effet, il s'agit essentiellement de mesure de déplacement linéaire d'un piston par rapport à une chambre, ce qui bien sûr est beaucoup plus précis que le contrôle d'un niveau dans un accumulateur dont la pression est maintenue par un tampon gazeux. In addition, the particular choice of expansion means from the surface of the probe parts, makes it possible to be able to effectively control with great precision, both the pressure and the volume of each part of the probe, which makes it possible to obtain reliable and precise results for the measurement of soil swelling: in fact, it is essentially a measurement of the linear displacement of a piston relative to a chamber, which of course is much more precise than checking a level in an accumulator, the pressure of which is maintained by a gas buffer.
On pourrait citer d'autres avantages de la présente invention mais ceux cités ci-dessus sont déjà suffisants pour en démontrer la nouveauté et l'intérêt. La description et les dessins ci-après représentent un exemple de réalisation de l'invention mais n'ont aucun caractère limitatif : d'autres réalisations sont possibles dans le cadre de la portée et de l'étendue de cette invention. One could cite other advantages of the present invention, but those mentioned above are already sufficient to demonstrate the novelty and the advantage thereof. The description and the drawings below represent an exemplary embodiment of the invention but are in no way limiting: other embodiments are possible within the scope and scope of this invention.
La figure 1 est une représentation des courbes des valeurs de pression et de volume, tel que déjà rappelé dans la précédente invention du déposant, citée en introduction. Figure 1 is a representation of the curves of the pressure and volume values, as already recalled in the previous invention of the applicant, cited in the introduction.
La figure 2 est une vue d'ensemble en coupe du dispositif de mesure, tel qu'également décrit dans la précédente invention du déposant. Figure 2 is an overall sectional view of the measuring device, as also described in the previous invention of the applicant.
La figure 3 est une vue simplifiée en coupe d'un dispositif suivant la figure 2 conforme à la présente invention. Figure 3 is a simplified sectional view of a device according to Figure 2 according to the present invention.
La figure 4 est une vue en coupe longitudinale de la partie de la sonde proprement dite. Figure 4 is a longitudinal sectional view of the portion of the probe itself.
La figure 1 représente un repère d'axes orthogonaux dont les abscisses (P) correspondent aux valeurs de pression dans une sonde gonflable 11 suivant les figures 2 ou 3, après un forage 4 de trou dans un sol 14, et introduction de cette sonde 11 ayant un diamètre extérieur à peu près égal au trou effectué, en général par exemple de l'ordre de 63 mm pour les appareils existants ; et les ordonnées (V) correspondent aux valeurs de volume de cette sonde. Ces valeurs sont mesurées en surface tel que représenté dans les figures 2 ou 3. FIG. 1 represents a reference mark for orthogonal axes whose abscissas (P) correspond to the pressure values in an inflatable probe 11 according to FIGS. 2 or 3, after a hole 4 has been drilled in a ground 14, and introduction of this probe 11 having an outer diameter approximately equal to the hole made, in general for example of the order of 63 mm for existing devices; and the ordinates (V) correspond to the volume values of this probe. These values are measured at the surface as shown in Figures 2 or 3.
En opération, l'utilisateur mesure et relève d'une manière connue une courbe 1 naturelle pression-volume, qu'il utilise ensuite pour déterminer les caractéristiques du sol, dont un module pressiométrique normal EP et une pression PL limite conventionnelle (valeurs dont la signification est liée à des données de base sur l'appareil "Pressiomètre" décrit en introduction). In operation, the user measures and records in a known manner a natural pressure-volume curve 1, which he then uses to determine the characteristics of the soil, including a normal pressure module EP and a conventional limit pressure PL (values whose meaning is related to basic data on the "Pressuremeter" device described in the introduction).
Le module "pressiométrique" est la pente de la courbe 1 au point
A correspondant à la remise en place du sol à son état initial avant forage.The "pressuremeter" module is the slope of curve 1 at the point
A corresponding to the restoration of the soil to its initial state before drilling.
Une fois la sonde selon l'invention, et telle que décrite dans les figures suivantes, mise en place dans le trou de forage 4 à l'endroit désiré et positionnée en valeurs de pression et volume pour correspondre à ce point A, à la pression voulue, on réalise ledit essai pressiométrique normal connu, puis on apporte dans ledit sol 14 entourant au moins une partie de la sonde 11 et à partir de ce point A de remise du sol à son état initial, comme s'il n'y avait pas de trou de forage, un fluide 15 qui imbibe le sol sous une charge faible, correspondant à quelques mètres de colonnes de ce fluide
- on contrôle simultanément le volume V d'une des parties 111 ou 112 de ladite sonde pour qu'il reste constant, en augmentant alors la pression P dans celle-ci jusqu'à saturation du sol par le fluide 15. Once the probe according to the invention, and as described in the following figures, placed in the borehole 4 at the desired location and positioned in pressure and volume values to correspond to this point A, at the pressure desired, we carry out said known normal pressuremeter test, then we bring into said soil 14 surrounding at least part of the probe 11 and from this point A to return the soil to its initial state, as if there were no no borehole, a fluid 15 which soaks the soil under a low load, corresponding to a few meters of columns of this fluid
the volume V of one of the parts 111 or 112 of the said probe is simultaneously controlled so that it remains constant, then increasing the pressure P in the latter until the soil is saturated with the fluid 15.
c est-à-dire jusqu'au point B où ledit volume varie à nouveau obligatoirement avec ladite pression
- on calcule la différence de pression ôP mesurée entre les points B et A correspondant à la pression correspondant à la pression de gonflement du sol.that is to say up to point B where said volume necessarily changes again with said pressure
- the pressure difference ôP measured between points B and A corresponding to the pressure corresponding to the swelling pressure of the soil is calculated.
Dans un autre procédé selon l'invention décrite dans la demande de brevet précédente, on contrôle simultanément la pression P dans l'une des parties 111 ou 112 de ladite sonde 11, afin qu'elle reste constante en diminuant alors le volume V de celle-ci jusqu'8 saturation du sol par le fluide 15, c'est-à-dire jusqu'au point C où ladite pression varie obligatoirement à nouveau avec le volume
- on calcule la différence de volume V mesurée entre les points
A et C correspondant à la dilatation libre due au gonflement du sol.In another method according to the invention described in the previous patent application, the pressure P in one of the parts 111 or 112 of said probe 11 is simultaneously controlled, so that it remains constant while reducing the volume V of that -this until saturation of the soil by the fluid 15, that is to say up to point C where said pressure necessarily changes again with the volume
- the difference in volume V measured between the points is calculated
A and C corresponding to the free expansion due to the swelling of the soil.
On peut effectuer également, suivant l'invention, lesdits calculs de pression de gonflement du sol à colume constant VO, et de dilatation du sol à pression constante Po. successivement l'un après l'autre en se déplaçant à partir respectivement soit des points C vers
B le long de la courbe 3, soit B vers C le long de la courbe 2 de variation de pression en fonction du volume pour un sol saturé de fluide 15 : on mesure les valeurs de pression P et de volume V entre les points de ces deux courbes, correspondant soit au volume, soit à la pression du point de remise du sol 14 à son état initial avant imbibition.It is also possible, according to the invention, to carry out the said calculations of inflation pressure of the sol with constant colume VO, and of dilation of the soil at constant pressure Po. Successively one after the other, moving respectively from either the points C to
B along curve 3, i.e. B towards C along curve 2 of pressure variation as a function of volume for a soil saturated with fluid 15: the values of pressure P and of volume V are measured between the points of these two curves, corresponding either to the volume or to the pressure of the point of return of the soil 14 to its initial state before imbibition.
La figure 2 est une vue d'ensemble en coupe du dispositif de mesure qui comprend un support connu et calé sur le sol 14, permettant à partir de tout type de moyen de forage 8 de réaliser un trou de forage 4 à l'endroit et à la profondeur où l'on veut effectuer la mesure. FIG. 2 is an overall view in section of the measuring device which comprises a known support and wedged on the ground 14, making it possible, from any type of drilling means 8, to produce a borehole 4 at the location and at the depth where you want to take the measurement.
Dans un mode de réalisation préférentiel, on utilise des équipements tels que par exemple ceux des appareils appelés suivant la marque déposée "Pressiomètre", qui comportent, en outre, un appareillage 13, permettant de contrôler la pression et le volume de toute sonde déformable 11 qui lui est reliée par au moins un conduit 12, lequel conduit transfère ainsi entre la sonde et l'appareillage tout fluide de gonflement, tel que décrit dans la figure 3. Dans celle-ci, la sonde 11 suivant l'invention, est en deux parties et donc reliée en fait par deux conduits à cet appareillage qui est alors doublé. In a preferred embodiment, use is made of equipment such as, for example, that of apparatuses called according to the registered trademark "Pressiometer", which also comprise an apparatus 13, making it possible to control the pressure and the volume of any deformable probe 11 which is connected to it by at least one conduit 12, which conduit thus transfers between the probe and the apparatus any swelling fluid, as described in FIG. 3. In this one, the probe 11 according to the invention is in two parts and therefore connected in fact by two conduits to this apparatus which is then doubled.
La sonde munie éventuellement d'une pointe de battage 5, est introduite et descendue dans le trou de forage par un train de tiges 6 jusqu'à la profondeur où l'on veut effectuer la mesure. The probe, optionally fitted with a threshing tip 5, is introduced and lowered into the borehole by a drill string 6 to the depth where the measurement is to be made.
De plus, un réservoir 10 contenant un fluide quelconque 15 d'imbibition est relié également à ladite sonde 11 par un conduit 9 passant ou non dans le train de tige 6, comme ceux 12 reliés au dispositif de mesure 13. Ce fluide 15, au contraire de ceux ou celui utilisé pour dilater la sonde et qui est d'un volume déterminé et récupérable, est perdu : il est utilisé pour imbiber une partie au moins du sol 14 autour de la sonde 11, dans lequel il est injecté sous une charge faible correspondant à quelques mètres de colonne de ce fluide. Son injection peut ainsi être faite par simple gravité, et ce fluide est de préférence de l'eau. In addition, a reservoir 10 containing any fluid 15 of imbibition is also connected to said probe 11 by a conduit 9 passing or not passing through the rod train 6, like those 12 connected to the measuring device 13. This fluid 15, at contrary to those where the one used to expand the probe and which is of a determined and recoverable volume, is lost: it is used to soak at least part of the soil 14 around the probe 11, into which it is injected under a load low corresponding to a few meters of column of this fluid. Its injection can thus be made by simple gravity, and this fluid is preferably water.
La figure 3 est une vue en coupe d'un dispositif réalisé suivant le même principe que celui de la figure 2, mais avec les perfectionnements suivant la présente invention, permettant de réaliser également les procédés décrits précédemment et ci-après. Figure 3 is a sectional view of a device produced according to the same principle as that of Figure 2, but with the improvements according to the present invention, also making it possible to carry out the methods described above and below.
La sonde 11 comporte en effet au moins deux parties 111, 112 superposées et dilatables indépendamment l'une de l'autre, chacune par un des moyens 13 de surface, lesquels permettent également le contrôle de la pression radiale exercée sur le sol 14 autour de chacune desdites parties de sonde. The probe 11 in fact comprises at least two parts 111, 112 superimposed and expandable independently of each other, each by one of the surface means 13, which also allow the control of the radial pressure exerted on the ground 14 around each of said probe parts.
De préférence, cesdits moyens 13 pour dilater les parties de sonde sont des vérins d'injection de fluide de gonflement motorisés et asservis, avec un temps de réaction de commande rapide, par une unité centrale de contrôle 22 permettant d'appliquer les procédés suivant l'invention. Preferably, said means 13 for expanding the probe parts are motorized swelling fluid injection jacks controlled by a rapid control reaction time by a central control unit 22 making it possible to apply the methods according to the invention. 'invention.
A titre d'exemple, cesdits pistons d'injection ou dits encore seringues d'injection motorisées, peuvent être des vérins hydrauliques ou électriques, dont chaque chambre 17 est d'un volume de l'ordre de 700 à 900 cm3 avec une vitesse minimale de débit d'au moins 0,70 cm3 par seconde avec une pression maximale de 25 bars et une précision de mesure sur le volume, grâce à la course du piston, de plus ou moins 1 cm3, pour une course totale de l'ordre de 25 cm. Un capteur de mesure de la pression à l'intérieur de chaque chambre permet, à travers ladite unité centrale 22, de donner toute information pour déclencher le fonctionnement d'avancement des moteurs desdits pistons ou desdites chambres ; en effet, on peut maintenir au contraire le piston fixe et déplacer ladite chambre par rapport audit piston. By way of example, these injection pistons or also called motorized injection syringes, can be hydraulic or electric cylinders, each chamber 17 of which has a volume of the order of 700 to 900 cm3 with a minimum speed flow rate of at least 0.70 cm3 per second with a maximum pressure of 25 bar and a measurement accuracy on the volume, thanks to the piston stroke, plus or minus 1 cm3, for a total stroke of the order 25 cm. A pressure measurement sensor inside each chamber makes it possible, through said central unit 22, to give any information to trigger the advancement operation of the motors of said pistons or of said chambers; in fact, on the contrary, the fixed piston can be kept and said chamber can be displaced relative to said piston.
Selon la figure 4 mais également tel que représenté schématiquement sur la figure 3, ladite sonde 11 comporte un corps central d'une seule pièce 18 portant les deux parties 111, 112 dilatables de la sonde, indépendamment l'une de l'autre et comprenant chacune une membrane de mesure 19 fixée sur ladite pièce 18 ; ledit corps central comprend également une couronne 16 médiane solidaire, en forme de gorge périphérique 20 tournée vers le haut, et dans laquelle ledit fluide 15 d'imbibition donné est apporté et s'écoule uniformément dans le sol 14. According to Figure 4 but also as shown schematically in Figure 3, said probe 11 comprises a central body in one piece 18 carrying the two parts 111, 112 expandable of the probe, independently of one another and comprising each a measurement membrane 19 fixed to said part 18; said central body also comprises an integral central crown 16, in the form of a peripheral groove 20 facing upwards, and in which said given impregnation fluid 15 is supplied and flows uniformly in the ground 14.
Les deux dites parties de sonde 111. 112 peuvent jouer le même rôle puisqu'elles sont équipées des mêmes moyens. The two said probe parts 111. 112 can play the same role since they are equipped with the same means.
Ainsi, si on se trouve par exemple en fond d'un trou de forage 4, on gonfle d'abord la partie supérieure 111 de la sonde à partir de laquelle on effectue l'essai normal de pression sol et assurant l'étanchéité avec celui-ci
- on apporte ensuite le fluide 15 donné dans le sol 14 à partir de ladite couronne 16 et autour de la partie inférieure 112 de la sonde, à partir de laquelle on effectue lesdites mesures de pression et de volume.Thus, if one is for example at the bottom of a borehole 4, first inflate the upper part 111 of the probe from which the normal ground pressure test is carried out and ensuring the tightness with that -this
- Then the fluid 15 given in the soil 14 is brought from said ring 16 and around the lower part 112 of the probe, from which said pressure and volume measurements are made.
Par contre, quand on se trouve bien au-dessus du fond du trou de forage, on gonfle d'abord la partie 112 inférieure de la sonde à partir de laquelle on effectue l'essai normal de pression de sol, et assurant l'étanchéité avec celui-ci
- on apporte ensuite le fluide 15 donné dans le sol à partir de ladite couronne 16 et autour de la partie supérieure 111 de la sonde à partir de laquelle on effectue lesdites mesures de pression et de volume.On the other hand, when one is well above the bottom of the borehole, the lower part 112 of the probe is first inflated, from which the normal soil pressure test is carried out, and ensuring the tightness with this one
- Then the fluid 15 given in the soil is brought from said crown 16 and around the upper part 111 of the probe from which said pressure and volume measurements are made.
Sachant cependant en ce cas que si le fluide apporté par la couronne périphérique 16 pénètre dans le sol en remontant au-dessus de ladite couronne 16, du fait de l'étanchéité assurée par la partie inférieure 112 de la sonde, du fait de la gravité, il imbibera également petit à petit le sol autour de la partie inférieure 112 et les mesures ne seront pas aussi fiables que dans le cas précédent. Knowing however in this case that if the fluid supplied by the peripheral ring 16 penetrates into the ground by rising above said ring 16, due to the seal provided by the lower part 112 of the probe, due to the gravity , it will also gradually soak the soil around the bottom 112 and the measurements will not be as reliable as in the previous case.
La hauteur totale de ladite sonde peut faire de l'ordre de 50 cm, par exemple, pour un diamètre de 60 mm, adaptée à des trous de 63mm et la longueur de chaque partie de sonde 111, 112 est alors de l'ordre de 20 à 22 cm, soit 3 à 4 fois le diamètre de la sonde
De préférence chacune deux dites membranes de mesure 19 est protégée par une gaine de protection externe 21 suffisamment rigide pour empêcher l'arrachement de la membrane 19 tout en autorisant la dilatation libre de celle-ci.The total height of said probe can be of the order of 50 cm, for example, for a diameter of 60 mm, adapted to holes of 63 mm and the length of each part of probe 111, 112 is then of the order of 20 to 22 cm, i.e. 3 to 4 times the diameter of the probe
Preferably, each of said two measurement membranes 19 is protected by an external protective sheath 21 which is sufficiently rigid to prevent the membrane 19 from being torn off while allowing the latter to expand freely.
Lesdites membranes 191 et 192 sont maintenues sur le corps central unique 18 de sonde par des bagues 26 autoblocantes de type connu, et lesdites gaines externes 211 et 222 de protection sont maintenues en place par des bagues d'extrémité externes 241 et 242 qui viennent les recouvrir : celles-ci sont elles-mêmes bloquées par des bagues axiales 25 vissées, par exemple, sur le corps de sonde 18 ; des joints de type joint torique 231 et 232 assurent le maintien de ces gaines 21 à l'intérieur de ces bagues de maintien externe 24, tout en maintenant une distance par rapport au corps de sonde 18 pour permettre la dilatation desdites membranes 19. Said membranes 191 and 192 are held on the single central body 18 of the probe by self-locking rings 26 of known type, and said external protective sheaths 211 and 222 are held in place by external end rings 241 and 242 which come cover: these are themselves blocked by axial rings 25 screwed, for example, onto the probe body 18; O-ring type seals 231 and 232 maintain these sheaths 21 inside these external retaining rings 24, while maintaining a distance relative to the probe body 18 to allow expansion of said membranes 19.
Le circuit d'alimentation en fluide d'imbibition tel que l'eau 9 dans la couronne 16 et ceux 121 et 122 pour les deux dites parties de la sonde 11, passent à l'intérieur du corps de sonde 18 qui est creux ; des circuits de purge des deux dites parties de la sonde doivent également être prévus, débouchant et fermés par exemple à la partie inférieure de ladite sonde, pour éviter toute présence de gaz dans les circuits car cela fausserait bien sûr totalement les mesures ; de telles purges ne sont pas représentées sur cette figure 4. The circuit for supplying imbibing fluid such as water 9 in the ring 16 and those 121 and 122 for the two said parts of the probe 11, pass inside the probe body 18 which is hollow; purge circuits of the two said parts of the probe must also be provided, opening and closed, for example at the bottom of said probe, to avoid any presence of gas in the circuits because this would of course totally distort the measurements; such purges are not shown in this figure 4.
Claims (7)
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