FR3099500A1 - « Dispositif d’essai géotechnique et appareil équipé d’un tel dispositif » - Google Patents

Abstract

TITRE : Dispositif d’essai géotechnique et appareil équipé d’un tel dispositif. Dispositif d’essai géotechnique par extension de cavité par cisaillement du sol, relié par un filtre de prise de pression exposé au liquide du sol de la cavité autour du corps du dispositif, et comprenant un corps (100) formant une surface cylindrique (111a) de section circulaire portant au moins un filtre (150) constitué par une pierre poreuse à haute entrée d’air, bordé au-dessus et en dessous par la surface cylindrique (111a) et relié à une chambre indéformable (118) logeant une cellule de mesure de pression/tension (140) par une colonne de liquide exempt de gaz (117) qui transmet à la cellule de mesure (140), la succion exercée sur le filtre (150) par le sol de la cavité appliquée contre le filtre (150). Figure 3

Description

« Dispositif d’essai géotechnique et appareil équipé d’un tel dispositif »

La présente invention se rapporte à un dispositif d’essai géotechnique pour l’étude des sols de fondations sur sols non saturés et notamment la succion qui est la pression atmosphérique diminuée de la tension (pression négative) dans le fluide liquide.

Il existe différentes techniques pour l’étude des sols pour des fondations.

L’une des techniques est celle des essais de pénétration statique selon la norme NFP94 113. Elle est notée CPT dans la nomenclature internationale.

L’essai de pénétration statique consiste selon cette norme, à enfoncer verticalement dans le sol, sans choc, ni vibration, ni rotation, à vitesse constante imposée, une pointe munie d’un cône en partie inférieure par l’intermédiaire d’un train de tiges qui lui est solidaire, et à mesurer la résistance à la pénétration de ce cône.

L’essai permet de mesurer l’effort total de pénétration ainsi que l’effort de frottement latéral local sur un manchon de frottement situé immédiatement au-dessus du cône.

Une installation pour faire de tels essais de pénétration dite statique est le pénétromètre Pares se compose d’un équipement installé au-dessus du sol dans lequel doit se faire l’essai avec une structure de réaction portant un train de tiges, un système de fonçage pour enfoncer le train de tiges dans le sol, l’extrémité du train de tiges étant munie d’une pointe pénétrométrique.

L’équipement comporte un système de guidage du train de tiges et un système de repérage permettant de connaître l’enfoncement de la pointe pénétrométrique dans le sol.

Connaissant l’effort de fonçage sur la pointe ; l’effort total sur le manchon surmontant la pointe et la profondeur de pénétration de la pointe, on détermine :

- La contrainte en pointe notée qc qui est par convention le résultat de la division de l’effort de la force nécessaire à l’enfoncement de la pointe par la surface de la projection de la pointe sur la normale à son axe.

- La contrainte de frottement latéral local notée fs qui par convention est le résultat de la division de la force sur le manchon lors de l’enfoncement par sa surface latérale.

Les valeurs obtenues sont attribuées à la profondeur d’enfoncement de la pointe pénétrométrique avec son manchon de frottement.

Le pénétromètre statique fait des essais permettant de mesurer un paramètre de rupture donnée par la résistance en pointe avec un paramètre de frottement sur les parois. Ce frottement est fonction du module de déformation du sol lors de l’expansion de la cavité. L’expansion résulte du refoulement du sol en passant d’une cavité de diamètre nul jusqu’à une cavité de diamètre correspondant à la sonde. Cette expansion se fait sur la hauteur de la partie conique de la sonde. Comme le pénétromètre statique ne mesure pas la pression interstitielle entre les grains du sol, il mesure le cumul de la pression entre les grains et de la pression interstitielle. Il s’agit d’un essai non drainé en pression totale.

Dans ce type d’essai et dans un sol fin saturé (c’est-à-dire ne contenant que de l’eau et des grains et ayant une faible perméabilité) le cisaillement lors de l’expansion de cavité, se fait à volume constant. Il existe une variante du pénétromètre statique appelée « Sharp cône » et notée SCT dans la nomenclature internationale. Il s’agit d’un appareil muni en arrière de l’extrémité des tiges, d’un cylindre conique qui est enfoncé soit dans un forage préalable soit à l’arrière d’une pointe pénétrométrique. Il permet la mesure en contrainte totale de l’effort nécessaire à une extension de cavité entre le diamètre inférieur et le diamètre supérieur. Il s’agit ici aussi d’une mesure en contrainte totale.

Le pénétromètre a été modifié pour obtenir un « piézocône » mesurant aussi la pression d’eau entre les grains du sol en plus de la résistance en pointe et du frottement latéral. Ce pénétromètre appelé piézocône développé notamment par Pares comporte directement au-dessus de la pointe conique, un filtre constitué d’une pierre poreuse reliée à un dispositif de mesure de pression interstitielle. Ce dispositif mesure la pression de l’eau (ou pression interstitielle) contenue dans le sol juste en arrière de la pointe du cône, c’est-à-dire là où se termine l’extension de la cavité créée par la pointe. La pression interstitielle se développe du fait de l’incompressibilité de l’eau contenu dans les pores du sol et de la perméabilité plus ou moins grande du sol, ne permettent pas à l’eau de s’échapper ou seulement partiellement. Si l’eau ne peut s’échapper, elle prend en charge les augmentations de contraintes venant sur le sol et sa pression augmente. Si la perméabilité n’est pas négligeable par rapport à la vitesse de l’essai, cette prise en charge ne sera que partielle. La sollicitation autour de la sonde est essentiellement en cisaillement : lors de l’enfoncement, on constate soit une augmentation de la pression interstitielle si le sol est peu dense et qu’il a tendance à se comprimer au cisaillement soit une diminution de la pression si le sol dense a tendance à se dilater au cisaillement.

Cet appareil connu permet d’accéder pour les sols saturés à la contrainte effective entre les grains en déduisant la pression interstitielle à la contrainte totale mesurée par l’appareil. Il utilise une pierre poreuse qui est une pièce de céramique artificielle ou naturelle par exemple une pierre ponce taillée à la forme voulue. Cette pièce constituée d’une matrice d’un matériau siliceux avec des pores communicants entre eux et permettant un fluide de passer au travers en retenant les grains du sol de la couche à tester. Dans le cas des appareils connus, cette pierre poreuse laisse passer aussi bien l’air de l’eau.

Cet appareil n’est donc utilisable que dans les sols saturés ou pratiquement saturés dans lesquels la pression interstitielle est supérieure à la pression atmosphérique. Dans le cas contraire la pierre poreuse se désature et ne permet plus de faire des mesures.

Un autre type d’essai géotechnique est défini par la norme ISO 22476-4 :212. Il est noté PMT par la nomenclature internationale. Ces essais se font avec un pressiomètre Ménard décrit dans la norme. Les essais permettent d’obtenir des données caractérisant de façon quantitative le profil du sol

Cet essai pressiométrique consiste, selon la norme, à dilater une sonde cylindrique dans le terrain en appliquant des paliers de pression selon un programme défini et à mesurer la variation de volume qui en résulte en fonction du temps en exerçant une pression symétrique sur le sol. Cet effet permet de créer un état de contrainte de cisaillement, radial, dans le domaine élastique, puis à une certaine pression, dans le domaine plastique. L’essai donne une courbe représentant le volume de déformation en fonction de la pression exercée. L’exploitation de cette courbe permet de mesurer les paramètres pour quantifier la pression de rupture d’un sol et son module de déformation pour calculer des fondations à savoir : le module de Ménard (Em), la pression limite Ménard, la pression de fluage (pf) et la pression limite (pl).

Le principe de l’essai avec le pressiomètre Ménard est décrit dans la norme. Ce pressiomètre comporte une sonde tri-cellulaire portée à l’extrémité d’un train de tiges de manœuvre avec un contrôleur pression-volume et une tubulure reliant le contrôleur à la sonde. Le contrôleur de pression comporte un système de mise en pression et de dilatation de la sonde pour maintenir des pressions constantes ainsi qu’un système pour maintenir une différence de pression entre la cellule centrale de mesure et les cellules de garde bordant la cellule centrale.

La sonde de pressiomètre est, dans le cas simple, une sonde à gaine souple, et de manière plus élaborée, une sonde à gaine souple associée à une protection plus rigide ou à un tube fendu en acier.

Un tel tube fendu en acier est représenté dans sa forme schématique aux figures 1, 1A et selon une coupe axiale d’un mode de réalisation, à la figure 2.

Les figures 1 et 1A montrent respectivement une coupe axiale schématique d’une sonde pressiométrique telle que présentée dans la norme ISO22446-4 et sa section selon le plan AA.

La sonde S, fixée à un train de tiges T par un raccord TC se compose d’une âme creuse 101, analogue à la tige de manœuvre du train de tiges, portant une cellule de mesure 102 avec, de part et d’autre, une cellule de garde 103, l’ensemble étant entouré par le manchon externe ou gaine souple 104.

Le sous-ensemble ainsi formé est logé dans un tube fendu 105 qui est un manchon en acier muni de fentes longitudinales non débouchant aux extrémités du tube 105 pour permettre à la partie intermédiaire du manchon, située au niveau de la cellule de mesure 102 et des cellules de garde 103, de s’expanser en fonction de la pression appliquée au fluide remplissant la cellule de mesure 102 et celui remplissant les cellules de garde 103 de part et d’autre de la cellule de mesure 102. On effectue ainsi des mesures de pression selon la norme.

Les fluides sous pression alimentent les cellules 102, 130 par des conduites 106a, b de l’équipement extérieur au forage.

La figure 2 est une coupe axiale d’un mode de réalisation de la sonde pressiométrique S montrant notamment l’organisation de la cellule de mesure et du tube fendu 105. La gaine souple 104 est serrée de manière étanche aux deux extrémités par deux bagues de serrage 107 sur l’âme 101. Cette vue en coupe est également celle de la norme relative à cet essai.

L’essai pressiométrique est donc comme l’essai au pénétromètre statique, un essai d’expansion de cavité mais permettant de mesurer directement un paramètre de déformation et un paramètre de rupture. Comme le pénétromètre statique simple Il ne permet pas la mesure de la pression interstitielle entre les grains du sol. Il s’agit d’un essai non drainé en contrainte totale.

Il existe également dans les domaines de la géotechnique et de l’agronomie des appareils employant la pierre poreuse à haute entrée d’air. Celle-ci est employée actuellement dans le domaine de la géotechnique pour des dispositifs où l’on l’utilise pour empêcher l’air de sortir de l’échantillon non saturé lors d’essais de laboratoire (triaxial oedomètre) à succion imposée. Dans les essais existants, on mesure le volume d’eau sortant de l’échantillon lors d’essai de chargement mécanique sous succion imposée où lorsque l’on impose une variation de succion. Il existe également des tensiomètres ou psychromètres (à effet Peltier notamment) équipés de pierre poreuse à haute entrée d’air pour des mesures in situ ou en laboratoire de succions élevées mais sans appliquer de déformation à l’échantillon.

Ces essais d’extension de cavité considèrent le massif comme infini. Les appareils existants (Pénétromètres, Sharp cône, Pressiomètres) ne mesurent pas la pression du fluide interstitiel inclus dans les grains du sol mais la « pression totale » c’est-à-dire le cumul de la pression entre les grains et de la pression interstitielle. Il s’agit d’essais « non drainés ». Dans ce type d’essai, on considère que l’eau ne se déplace pas dans le sol en cours d’essai. Dans le cas d’un sol fin dit saturé c’est-à-dire ne contenant que de l’eau et des grains et ayant une faible perméabilité, le cisaillement se fait à volume constant à cause de l’incompressibilité de l’eau.

En résumé les dispositifs existants permettent tous des essais de sol en cisaillement par expansion de cavité. Les dispositifs connus ne mesurent soit que la résistance totale du sol en contrainte totale (pénétromètre statique et pressiomètre Ménard) soit le cas du piézocône, ils permettent la mesure de la contrainte totale et la pression interstitielle mais uniquement dans le cas de sols saturés pour des déformations en cisaillement isovolumiques avec développement de pression interstitielle. Les dispositifs existants comprenant des pierres poreuses à haute entrée d’air dans le domaine des sols non saturés soit servent à mesurer les variations du volume d’eau dans des sols soumis à des déformations sous une succion imposée soit servent à mesurer la succion d’un échantillon en l’absence de déformation.

BUT DE L’INVENTION

La présente invention a pour but de développer des moyens d’expérimentation in-situ d’un sol de fondation appartenant à la classe des sols non saturés c’est-à-dire contenant à la fois des grains de l’air et de l’eau ; cette eau pouvant être soumise à une tension (ou succion).

EXPOSE ET AVANTAGES DE L’INVENTION

A cet effet, l’invention a pour objet un dispositif d’essai géotechnique par extension de cavité par cisaillement du sol, relié par un filtre de prise de pression exposé au liquide et à l’air du sol de la cavité autour du corps du dispositif.

Ce filtre a été choisi spécifiquement pour laisser passer uniquement l’eau jusqu’à des pressions différentielles entre l’eau et l’air élevés.

Ce dispositif étant installé sur un train de tiges pour être placé dans la cavité,

ce dispositif d’essai étant caractérisé en ce qu’il comprend

un corps formant une surface cylindrique de section circulaire portant au moins un filtre constitué par une pierre poreuse à haute entrée d’air, bordé au-dessus et en dessous par la surface cylindrique et relié à une chambre indéformable logeant une cellule de mesure de pression/tension par une colonne de liquide exempt de gaz, qui transmet à la cellule de mesure, la succion exercée sur le filtre par le sol de la cavité appliquée contre le filtre.

Le principe physique de la mesure est le suivant : sous l’influence de la succion régnant dans le sol encaissant, le liquide contenu dans la cellule va avoir tendance à sortir ou entrer en passant par la pierre poreuse à haute entrée d’air, établissant un équilibre entre la succion dans le fluide extérieur et celle du sol extérieur. La pierre poreuse à haute entrée d’air interdisant la pénétration des gaz extérieurs à l’intérieur de la cellule, la variation en succions dans le milieu extérieur sera égale à la variation de pression dans le fluide de la cavité ; cette pression sera mesurée soit directement soit dans le cas d’une cavité intérieure remplie d’eau désaérée au micro-tensiomètre.

La sonde n’est plus soumise à la désaturation de la pierre poreuse et permet de mesurer des états de pression des fluides et leurs variations en cas de déformations hors du domaine des sols saturés, sous le toit de la nappe phréatique. Cette absence de risque de désaturation permet d’appliquer la mesure de la succion au cas du pénétromètre qui jusque-là ne pouvait être mis en œuvre dans sa version piezocône que sous le niveau de la nappe. Elle permet également de l’appliquer au pressiomètre Ménard car on est libéré du risque de désaturation préalable du dispositif de mesure alors que ce risque est inévitable avec les dispositifs connus pour une sonde qui n’est pas en contact avec les parois du forage entre chaque essai.

L’invention permet donc une mesure de la succion lors de l’application d’une sollicitation en expansion de cavité, par pénétration ou par expansion de la sonde. La succion est par définition une pression interstitielle négative, spécifique aux sols non saturés c’est-à-dire des sols contenant de l’eau, de l’air et des grains. Cette mesure des variations de la succion couplée à une déformation permet d’accéder aux contraintes effectives régnant entre les grains pendant la déformation dans le cas de sols non saturés in situ alors que cette possibilité était jusque-là limitée au cas de sols saturés. L’intérêt de cette mesure est grandement augmentée par le fait que la succion est mesurée lors d’une déformation à teneur en eau constante proche de celle observée sous les fondations réelles reposant sur un sol non saturé ou dans les remblais réels en cours de construction.

Un autre avantage de la mesure in situ est que l’on échappe aux variations de caractéristiques mécaniques liées aux modifications de structure des grains du sols ou d’organisation de la phase hydrique, inévitables lors du prélèvement d’échantillons traités en laboratoire.

Suivant une autre caractéristique particulièrement avantageuse du dispositif d’essai géotechnique, ce dispositif est caractérisé en ce qu’il comprend un corps cylindrique de section circulaire formé

- d’un élément de base ayant en haut, un chapeau relié au train de tiges et en dessous, un élément complémentaire prolongeant la partie de surface cylindrique du corps,

le corps ayant une gorge périphérique et

- d’un filtre de forme annulaire en pierre poreuse à haute entrée d’air, et encastré de manière étanche dans la gorge, la chambre indéformable recevant le capteur de pression/tension, sollicité par la colonne de liquide reliant la gorge au capteur.

Suivant un développement l’élément de base est un élément cylindrique terminé par deux faces, la première face étant munie d’un raccord fileté pour le vissage du chapeau et la seconde face étant munie d’un raccord pour l’élément complémentaire,

- la première face formant un logement débouchant dans la chambre de mesure et muni d’un filetage pour y visser la cellule de mesure,

- la deuxième face ayant une gorge périphérique débouchant dans cette face pour recevoir le filtre de forme annulaire en pierre poreuse à haute entrée d’air.

De façon avantageuse l’élément complémentaire est en forme de partie cylindrique terminée par une pointe ou un raccord pour le train de tiges. Il permet l’installation du dispositif dans sa configuration 1 (DE1) en diverses positions (ou sous configuration) par rapport à la pointe pénétrométrique : la partie cylindrique est terminée par une pointe pour un dispositif placé dans la sous configuration S2. Elle est terminée par un filetage pour un appareil en sous configuration S3. Il est précisé que les sous configurations S1 à S3 font référence à la position du dispositif par rapport à la pointe pénétrométrique dans le cas de la configuration 1. La sous configuration S1 correspond à un dispositif placé en extrémité de la pointe pénétrométrique ; la sous configuration S2 correspond à un dispositif placé à la jonction pointe partie cylindrique ; la sous configuration S3 correspond à un dispositif placé dans la partie cylindrique de la pointe à moins de 0.3m de celle-ci.

Il permet également de placer le dispositif dans sa configuration 1 (DE1) en diverses positions au sein d’un appareil de type « Sharp cône » tel que défini ci avant. L’avantage de cette disposition est qu’elle permet au dispositif dans sa configuration 1 de mesurer la variation de la succion pour plusieurs taux d’extension de cavité, et d’évaluer le comportement non linéaire du sol non saturé.

Suivant une autre caractéristique particulièrement intéressante, le dispositif d’essai géotechnique est destiné dans sa configuration 2 à des essais d’extension de cavités pour mesurer la succion dans des sols non saturés par le gonflement d’une sonde à tube fendu tel que défini ci-dessus, ce dispositif étant caractérisé en ce que le corps formant une surface cylindrique comporte un élément de base formé d’un manchon à fentes, délimitant des panneaux et logeant une sonde pressiométrique pour gonfler le manchon,

les panneaux étant munis de filtres en forme de pastilles dépassant de la surface cylindrique pour être en appui contre la surface du forage, mise en extension par le gonflement du manchon par la sonde pressiométrique,

les filtres étant fixés dans des cavités reliées par des canaux à la chambre de la cellule de mesure.

Suivant une autre caractéristique avantageuse le corps composé d’un élément de base recevant la sonde de pression est fermé par un raccord vissé dans le filetage de l’élément de base et terminé à son autre extrémité par un filetage pour l’assemblage un train de tiges, le raccord recevant un module de jonction couvert par un chapeau et formant la chambre recevant la cellule de mesure couvrant une cavité fermée par la cellule de mesure et reliée à la colonne de liquide dont elle fait partie.

Dans ce contexte et suivant une autre caractéristique particulièrement avantageuse le filtre est en forme de pastille circulaire avec un châssis annulaire dans lequel est sertie une pierre poreuse à haute entrée d’air.

Dans le dispositif d’essai géotechnique ci-dessus le filtre est en forme de pastille circulaire avec un châssis annulaire dans lequel est sertie une pierre poreuse à haute entrée d’air.

Enfin l’invention s’applique à des appareils d’essai géotechnique de pénétration dans les sols fins et grenus comportant un dispositif d’essai géotechnique tel que défini ci-dessus.

Quelle que soit la configuration, l’appareil permet ce qui est avantageux de mesurer par arrêt de l’expansion de la cavité la dissipation de la succion atour de l’appareil au cours du temps et d’en déduire d’une part la perméabilité à l’eau du sol non saturé autour de la cavité ; d’autre part ; par une attente suffisante, la succion naturelle résidant dans la couche de sol sans l’influence de la déformation.

Le dispositif d’essai géotechnique est avantageusement appelé « succiomètre ». La dénomination Succio-pénétromètre est proposée pour la configuration 1 (DE1) et Succio-pressiomètre pour la configuration 2 (DE2).

La présente invention sera décrite ci-après de façon plus détaillée à l’aide de deux modes de réalisation d’un dispositif d’essais représentés dans les dessins annexés dans lesquels :

coupe axiale schématique d’une sonde pressiométrique selon l’état de la technique

section selon AA de la sonde de la figure 1

coupe axiale d’un mode de réalisation de la sonde pressiométrique selon la figure 1.

vue en coupe axiale d’un premier mode de réalisation du dispositif d’essais pour une extension de cavité par pénétration

est l’élément de base du dispositif d’essais,

est le chapeau

est un élément complémentaire

est la cellule de mesure

est le filtre annulaire en céramique à haute entrée d’air.

vue en coupe axiale d’un second mode de réalisation du dispositif d’essais pour une expansion de cavité par gonflement d’une sonde pressiométrique et mesure de la succion par des cellules placée sur un tube fendu (disposition 2),

A-D vues en coupe des éléments composants le dispositif de la figure 5,

vue en section du tube fendu,

vue à échelle agrandie des parties VIII de la figure 5.

vues définissant d’une part les différentes positions possibles du dispositif dans sa configuration 1 (DE1) et l’inclusion du dispositif dans un Sharp cône.

DESCRIPTION DE MODES DE REALISATION

Par convention, comme le dispositif d’essai est destiné à des mesures dans le sol, les expressions « haut, bas ; dessus, dessous » correspondent à l’orientation du dispositif/sonde en position d’utilisation.

Disposition 1 de l’invention : dispositif DE1

Les figures 3, 4A-E représentent un premier mode de réalisation d’un dispositif d’essai DE1 selon l’invention pour mesurer la succion du sol dans une cavité.

Le dispositif d’essai DE1 est combiné à un appareil de mesure pour des essais de pénétrations géotechniques dans des sols fins et grenus en réalisant une cavité CA par son enfoncement par cisaillement du sol. Le dispositif DE1 est porté par un train de tiges T ou est intégré dans un train de tiges en deux parties Ta, Tb reliées aux deux extrémités du dispositif DE1.

Le dispositif DE1 a un corps 100 cylindrique, de section circulaire qui se place dans une cavité CA de section circulaire dans le sol crée par une pointe pénétrométrique située plus bas pour mesurer la succion succion à la paroi de la cavité et ses variations lors de la pénétration à différentes profondeurs en étant poussé par le train de tiges T.

Le corps 100 est formé d’un élément de base 110 (figure 4A) relié à un chapeau 120 (figure 4B) et à un élément complémentaire 130 (figure 4C) terminé par une pointe conique ou un raccord et formant avec l’élément de base 110, une gorge 116 logeant un filtre 150 formé d’une pierre poreuse à haute entrée d’air venant au contact de la paroi de la cavité géologique CA. La cavité 114 est reliée par des canaux 117 à une chambre 118 équipée d’une cellule de mesure 140, l’ensemble formant une colonne de liquide entre la face interne 153b du corps torique du filtre 150 et la cellule de mesure 140, la gorge 116, les canaux 117 et la chambre 118. Cette chambre 118 est formée par l’assemblage de l’élément de base 110 et du chapeau 120.

Selon la figure 4A, l’élément de base a une partie cylindrique 111 bordée par une paroi 111a et deux faces, une première face 114 (le dessus) et une seconde face 115 (le dessous).

La partie cylindrique 111 a une gorge ouverte 116 formée par deux parois 116a, 116b, débouchant dans la paroi 111a et dans la deuxième face 115.

La première face 114 se prolonge par un raccord 112 muni d’un filetage 112a et d’un logement 112b débouchant dans la chambre indéformable 118. La paroi du logement 112b est filetée au moins dans sa partie basse au-dessus de la chambre 118 pour recevoir une cellule de mesure de pression/tension 140 (voir figure 4D). La cellule 140 a un filetage 141 sur son côté et sa face active 142 est exposée à la chambre 118 pour être soumise à la pression (ou à la tension) régnant dans cette chambre. La chambre 118 communique avec la gorge 116 par un ou plusieurs canaux 117.

La gorge périphérique ouverte 116 reçoit un filtre 150 à haute entrée d’air dont le corps 151 est constitué par une pierre poreuse à haute entrée d’air qui est une céramique dont les pores laissent passer le fluide liquide mais interdisent la pénétration de la phase gazeuse jusqu’à des succions importantes (>0,3-1,5 MPa). Cette pierre poreuse ne se dé-sature pas en dessous de telles limites de succion.

Dans sa forme de réalisation (figure 4E), le filtre 150 est un corps torique 151 de section rectangulaire notamment carrée. Le dessus 152a et le dessous 152b du corps 151 sont revêtus d’une pâte d’étanchéité pour le contact avec la surface des parties 116a, 131b. La face extérieure 153a et la face intérieure 153b sont libres. Elles laissent passer par porosité le fluide liquide et arrêtent le fluide gazeux.

Le volume derrière le corps en pierre poreuse 151 avec le ou les canaux 117 et la chambre 118, est rempli d’un liquide exempt de gaz, formant une colonne de liquide transmettant la pression exercée sur la pierre poreuse 151 par le fluide interstitiel du sol.

Le chapeau 120 (figure 4B) qui se fixe au raccord 112 de l’élément de base 110 se compose d’une partie cylindrique circulaire 121 dont la paroi 121a est dans le prolongement de la paroi 111a de la partie 111. Elle a une première face 121b et une deuxième face 121c. La première face 121b comporte un premier raccord 122 à paroi fileté 122a correspondant au filetage du raccord du train de tiges T. L’autre face 121c est munie d’un raccord 123 formant un écrou dont le filetage 123a correspond à celui 112a du raccord 112 de l’élément de base 110.

Le raccord 123 coiffe le raccord 112 pour fermer un logement 112b recevant la cellule de mesure 140 dont le câble de transmission 143 traverse un perçage 122b. Au montage, la cellule 140 est d’abord vissée dans le logement 112b de l’élément de base 110 avant de faire passer son câble 143 dans le perçage 122b et de visser le chapeau 120 sur l’élément de base 110.

L’élément complémentaire 130 (figure 4C) est formé d’une partie cylindrique 131 dont la paroi latérale 131a est plus ou moins longue selon la forme et la fonction de cet élément 130, suivant qu’il s’agit du corps 100 d’un dispositif d’essai installé à l’extrémité du train de tiges T, (position S2 de la figure 9) ou du corps d’un dispositif intégré entre les deux parties Ta, Tb du train de tiges (position S3 de la figure diverses 9 ou position SS sur un « Sharp cône » tel que défini figure 9).

Dans le premier cas, la partie cylindrique 131 se termine par un cône 134 et dans l’autre cas, elle se termine par une face 131c avec un raccord 133 muni d’un filetage 133c pour se visser à la partie correspondante du train de tiges.

Les deux variantes de réalisation sont représentées superposées dans la figure 4C.

Dans les deux cas, l’élément complémentaire 130 prolonge, c’est-à-dire complète la surface cylindrique 111a de l’élément de base 110 de façon que le filtre 150 soit intégré dans la surface cylindrique globale ainsi formée pour être au contact de la paroi de la cavité au-delà de la zone de cisaillement que crée le cône 134 et ne soit pas directement à la base du cône 134.

L’autre face 131b a un raccord femelle 132 dont le filetage 132a correspond au filetage 113a du raccord 113 de l’élément de base 110.

La face 131b est destinée à s’appliquer contre la face 115 de l’élément 110 pour fermer la gorge 116 et tenir le filtre 150 de façon serrée, étanche, dans cette gorge. (des joints pâte d’étanchéité ou joint caoutchouc) peuvent être placés au niveau de 116a et131b pour parfaire cette étanchéité).

L’assemblage des deux éléments 110, 120 entre eux et avec la cellule de mesure 140 et le filtre 150 se fait comme cela parait à la figure 3.

Le principe physique de la mesure est le suivant : sous l’influence de la succion régnant dans le sol encaissant, le liquide contenu dans la cellule a tendance à sortir ou entrer en passant par la pierre poreuse à haute entrée d’air 150, établissant un équilibre entre la succion dans le fluide extérieur et celle du sol extérieur. La pierre poreuse à haute entrée d’air interdisant la pénétration des gaz extérieurs à l’intérieur de la cellule, la variation en succion dans le milieu extérieur est égale à la variation de pression dans le fluide de la cavité ; cette pression est mesurée directement ou au micro-tensiomètre dans le cas d’une cavité intérieure remplie d’eau désaérée.

Le dispositif d’essai DE1 n’est pas soumis à la désaturation de la pierre poreuse 150 et permet de mesurer des états de pression des fluides et leurs variations en cas de déformations hors du domaine des sols saturés, sous le toit de la nappe phréatique. Cette absence de risque de désaturation permet d’appliquer la mesure de la succion d’une manière identique à la mesure de la pression interstitielle faite au piézocône mais aux sols non saturés situés au-dessus de la nappe car on ne risque pas de désaturation préalable du dispositif de mesure DE1 alors que ce risque est lui inévitable avec les dispositifs connus.

En résumé, le dispositif d’essais DE1 permet l’application d’une sollicitation en expansion de cavité, soit par pénétration de la pointe soit par expansion de la sonde par un dispositif de type Sharp-cône en mesurant la succion c’est-à-dire la pression interstitielle négative. En effet la succion est par définition une pression interstitielle négative, spécifique aux sols non saturés c’est-à-dire contenant de l’eau, de l’air et des grains.

Disposition 2 de l’invention ; dispositif DE2

Les figures 5, 6A-D, 7, 8 montrent une disposition de l’invention insérée à un dispositif d’essais pressiométriques modifié. Ce dispositif DE2 est de même que DE1, utilisé pour des mesures par mise en expansion de la cavité dans le sol dans des sols non saturés pour mesurer la succion, dans des sols non saturés, à différentes profondeurs. Le dispositif DE2 porté par un train de tiges T a un corps 200, cylindrique de section circulaire pour se loger dans le forage de section circulaire. Le corps 200 se compose d’un élément de base 210 (figure 6A) terminé par une tête conique à l’une de ses extrémités ; l’autre extrémité a un filetage conique femelle pour recevoir un raccord 220 (figure 6B) terminé par un filetage conique correspondant. L’autre extrémité du raccord 220 est aussi terminée par un filetage femelle pour être fixée à l’extrémité du train de tiges T. Le raccord 220 loge un module de jonction 230 (figure 6C) avec un chapeau 240 (figure 6D) formant une cavité 233c de la chambre logeant une cellule de mesure 250.

L’élément de base 210 est équipé de filtres 260 en une matière poreuse à haute entrée d’air, en relief de la surface périphérique pour être mis en appui par expansion de la cavité et être exposés à la pression positive ou négative du sol à mesurer par la cellule de mesure 250.

De façon plus détaillée selon les figures 6A, 7, 8, l’élément de base 210 se compose d’un manchon 211 terminé par une pointe conique 212. Le manchon 211 reçoit une sonde pressiométrique 215 reliée à une source de liquide sous pression par une conduite de liaison 215a remontant à travers les composants du corps 200. Le manchon 211 est un tube fendu tel que l’entend la Norme ISO 22476-4 (figure 7) Il est subdivisé par trois fentes 211a réparties à 120°, délimitant entre elles trois panneaux 213 pouvant s’expanser sous l’effet de la mise en pression de la sonde pressiométrique 215. Le haut du manchon 211 a un filetage intérieur 214.

Les fentes 211a ne sont pas débouchantes de sorte que la section du manchon 210 reste conservée en partie basse au-dessus de la tête conique 212 et en partie haute, nettement en-dessous du filetage intérieur 214. La surface des panneaux 213 forme la surface cylindrique 210a de l’élément de base 210.

Chaque panneau 213 a une cavité 216 débouchant dans la face extérieure 213a du panneau 213. La cavité 216 est reliée à un canal 216a en forme de perçage remontant dans le panneau 213 pour déboucher dans le filetage conique 214 à une hauteur définie.

La cavité 216 reçoit un filtre 260 en forme de pastille de façon à en dépasser légèrement. Le filtre 260 est formé d’un châssis annulaire 261 dans lequel est sertie d’une manière étanche une pierre poreuse à haute entrée d’air 262.

La cavité 216 et le filtre 260 ont une section circulaire. Le filtre 260 est encastré ou vissé dans la cavité 216.

Le dos du filtre 260 est en appui non étanche contre le fond 216b de la cavité de façon que la face arrière du filtre 260 puisse communiquer par une liaison fluidique avec le canal 216a.

Chacun des panneaux 213 est ainsi muni d’un filtre 260 et les canaux 216a, associés, débouchent dans le filetage 214 et plus précisément dans un décrochement 214a interrompant localement, de façon périphérique, le filetage 214 pour former une couronne de communication.

Le raccord 220 (figure 6B), cylindrique comme l’élément de base 210 et de préférence de même section pour sa paroi 221 se limite par une extrémité inférieure conique 222 munie d’un filetage 222a correspondant au filetage 214 pour se visser dans celui-ci. Son extrémité supérieure 223 a un filetage intérieur 223a conique pour se visser au train de tiges T.

Entre ses deux extrémités, le raccord 220 délimite une cavité cylindrique 224 dont le fond 224a est muni d’une cavité axiale taraudée 224b pour recevoir le module de jonction 230.

La cavité 224 est reliée au filetage 222a par des perçages formant des canaux 222b qui débouchent en bordure du fond 224a de la cavité et dans un décrochement périphérique 222c du filetage 222a. Ce décrochement 222c complète le décrochement 214a de l’élément de base 210 pour former un canal périphérique permettant la communication entre les canaux 216a et 222b quelle que soit la position d’orientation du raccord 220 par rapport à l’élément de base 210 selon le vissage de ces deux pièces l’une dans l’autre.

Le module de jonction 230 (figure 6C) est une pièce cylindrique dont l’extrémité inférieure forme un embout fileté 231 se vissant dans le taraudage 224b du raccord 220 et dont la partie supérieure forme un épaulement 232 et une chambre 233.

La chambre 233 est reliée par des perçages 234 à un dégagement 235 par exemple en forme de couronne dans la surface inférieure 236 bordant l’embout fileté 231.

Le fond 233a de la chambre 233 forme à une certaine hauteur, un épaulement 233b servant d’appui et en dessous de celui-ci une cavité 233c.

Les perçages 234 débouchent dans cette cavité 233c du fond 233a.

En partie inférieure, le chapeau 240 a une cavité 241 de façon à coiffer de manière étanche la partie supérieure du module de jonction 230 et sa chambre 233.

Le chapeau 240 a une surface latérale 242, filetée pour se visser dans le filetage 224c de la chambre 224.

Le perçage 243 traverse le chapeau 240 pour relier son dessus à la cavité 241 et permettre la mise en place de la cellule de mesure 250 et le passage de son câble 251, sa surface sensible 252 étant exposée au fond 233a à la cavité 233c.

On forme ainsi, après assemblage, un volume fermé comprenant les cavités 216 derrière les pastilles 260, les canaux 216a remontant dans les panneaux 213, le décrochement 214a, le décrochement 222c, les perçages 222b, le dégagement 235, les perçages 234 et la chambre délimitée par la cellule de mesure 250.

La figure 8 est une vue en coupe à échelle agrandie des détails VIII de la figure 5. Elle met en évidence la jonction des canaux 216b/222b aux débouchés dans les filetages 214, 222a. Cette jonction est réalisée dans les filetages 214, 222 par les décrochements 214a, 222c formant un canal périphérique complet ou partiel pour réaliser la communication quelle que soit la position relative des éléments 221, 220 selon leur vissage. Le volume délimité par l’intervalle entre le dos de chaque filtre 260 et le fond 216b de la cavité 216, le canal 216a, les décrochements 214a, 222c, le canal 222, le décrochement 235, les perçages 234 et la cavité 233c sous la face sensible de la cellule de mesure 250 forme globalement une colonne de liquide entre la face arrière des filtres 260 et la cellule de mesure 250, transmettant ainsi la pression exercée sur chacune des faces avant des filtres 260. Cette pression a l’avantage d’être la moyenne de la pression exercée sur chacune des pastilles 260.

La figure 9 montre deux applications de l’invention, à gauche (figure 9a) comme succio-pénétromètre avec schématisés en noir, les filtres S1, S2, S3. A droite, la figure 9b montre des filtres SS1-SS5 sur un dispositif Sharp-cône engagé dans un forage. L’exemple montre cinq filtres intégrés dans le Sharp-cône mais il peut y avoir un nombre plus grand de filtres.

NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX

DE1, DE2 Dispositif d’essai géotechnique

S Dispositif d’essai connu

CAV Cavité de cisaillement

T Train de tiges supportant le dispositif

Ta, Tb Parties du train de tiges

Tc Raccord

101 Âme creuse/tube

102 Cellule de mesure

103 Cellule de garde

104 Manchon externe

105 Tube fendu

106a, b Alimentation en fluide sous pression/eau/gaz

107 Bague de serrage

100 Corps

110 Elément de base

111 Partie cylindrique

111a Paroi/Surface cylindrique

112 Premier raccord

121a Filetage

112b Logement

113 Deuxième raccord

113a Filetage

116 Gorge

116a,116b Parois

114 Première face

115 Deuxième face

117 Canal/colonne de liquide

118 Chambre

120 Chapeau

121 Partie cylindrique

121a Paroi

121b Première face

121c Deuxième face

122 Raccord

122a Filetage

122b Conduite/perçage

123 Raccord femelle/ écrou

123a Filetage

130 Elément complémentaire

131 Partie cylindrique

131a Paroi/Surface cylindrique

131b Première face

131c Deuxième face

132 Raccord

132a Filetage

133 Raccord

133a Filetage

134 Pointe/cône

140 Cellule de mesure

141 Filetage

142 Face active

143 Câble

150 Filtre/Pierre poreuse.

151 Corps torique

152 Dessus du corps torique

152b Dessous du corps torique

153a Face externe du corps torique

153b Face interne du corps torique

200 Corp cylindrique

210 Elément de base

210a Surface cylindrique

211 Manchon

211a Fentes

212 Tête conique

213 Panneaux

213a Face intérieure

214 Filetage intérieur conique

214a Décrochement

215 Sonde pressiométrique

215a Conduite de liaison de la sonde pressiométrique vers le dispositif de mesure volume

216 Cavité

216a Canal

216b Fond de la cavité

220 Raccord

221 Paroi cylindrique

222 Extrémité inférieure conique

222a Filetage extérieur

222b Canal

223 Extrémité supérieure

223a Filetage intérieur

224 Cavité cylindrique

224a Fond

224b Cavité taraudée

230 Module de jonction

231 Embout fileté

232 Epaulement

233 Chambre

233a Fond

233b Epaulement d’appui

233c Cavité

234 Perçages

235 Couronne dégagée/dégagement

236 Face inférieure

240 Chapeau

241 Cavité

242 Surface latérale

243 Perçage

250 Cellule de mesure

260 Filtre en forme de pastille

261 Châssis annulaire

262 Pierre poreuse à haute entrée d’air

270 Manchon de protection

Claims (9)

1. Dispositif d’essai géotechnique par extension de cavité par cisaillement du sol, relié par un filtre de prise de pression exposé au liquide du sol de la cavité autour du corps du dispositif,
   ce dispositif étant installé sur un train de tiges pour être placé dans la cavité,
   dispositif d’essai caractérisé en ce qu’il comprend
   un corps (100, 200) formant une surface cylindrique (111a, 210a) de section circulaire portant au moins un filtre (150, 260) constitué par une pierre poreuse à haute entrée d’air, bordé au-dessus et en dessous par la surface cylindrique (111a, 210a) et relié à une chambre indéformable (118, 233c) logeant une cellule de mesure de pression/tension (140, 250) par une colonne de liquide exempt de gaz (117, 216a, 214a, 222c, 222b, 235, 234), qui transmet à la cellule de mesure (140, 250), la succion exercée sur le filtre (150, 260) par le sol de la cavité appliquée contre le filtre (150, 260).
2. Dispositif d’essai géotechnique pour des essais d’extension de cavité par cisaillement du sol par enfoncement d’une sonde dans le sol dans lequel le dispositif réalise une cavité par cisaillement, selon la revendication 1,
   caractérisé en ce qu’il comprend
   un corps cylindrique (100) de section circulaire formé
   - d’un élément de base (110) ayant en haut, un chapeau (120) relié au train de tiges (T) et en dessous, un élément complémentaire (130) prolongeant la partie de surface cylindrique (111a) du corps (110),
   le corps (110) ayant une gorge périphérique (116) et
   - d’un filtre (150) de forme annulaire en pierre poreuse à haute entrée d’air, et encastré de manière étanche dans la gorge (116), la chambre indéformable (118) recevant le capteur de pression/tension (140), sollicité par la colonne de liquide (117) reliant la gorge (116) au capteur (140).
3. Dispositif d’essai géotechnique selon la revendication 2,
   caractérisé en ce que
   l’élément de base (110) est un élément cylindrique terminé par deux faces (114, 115), la première face étant munie d’un raccord fileté (112) pour le vissage du chapeau (120) et la seconde face (115) étant munie d’un raccord (113) pour l’élément complémentaire (130),
   - la première face (114) formant un logement (112b) débouchant dans la chambre de mesure (118) et muni d’un filetage pour y visser la cellule de mesure (140),
   - la deuxième face (115) ayant une gorge périphérique (116) débouchant dans cette face pour recevoir le filtre de forme annulaire en pierre poreuse à haute entrée d’air (150).
4. Dispositif d’essai géotechnique selon la revendication 2,
   caractérisé en ce que
   l’élément complémentaire (130) est en forme de partie cylindrique (131) terminée par une pointe (134) ou un raccord (133) pour le train de tiges (T).
5. Dispositif d’essai géotechnique pour des essais d’extension de cavité pour mesurer de la succion dans des sols non saturés, par le gonflement d’une sonde à tube fendu selon la revendication 1,
   caractérisé en ce que
   le corps (200) formant une surface cylindrique (210a) comporte un élément de base (210) formé d’un manchon (211) à fentes (211a), délimitant des panneaux (213) et logeant une sonde pressiométrique (215) pour gonfler le manchon (211),
   les panneaux (213) étant munis de filtres (260) en forme de pastilles dépassant de la surface cylindrique (210a) pour être en appui contre la surface du forage, mis en extension par le gonflement du manchon (211) par la sonde pressiométrique (215),
   les filtres (260) étant fixés dans des cavités (216) reliées par des canaux (216a, 214a, 222c, 222b, 234) à la chambre (233c) de la cellule de mesure (250).
6. Dispositif d’essai géotechnique selon les revendications 1 et 5,
   caractérisé en ce que
   le corps (200) composé d’un élément de base (210) recevant la sonde de pression (215) est fermé par un raccord (220) vissé dans le filetage (214) de l’élément de base (210) et terminé à son autre extrémité par un filetage (223) pour l’assemblage à un train de tiges T, le raccord (220) recevant un module de jonction (230) couvert par un chapeau (240) et formant la chambre (233) recevant la cellule de mesure (250) couvrant une cavité fermée par la cellule de mesure (250) et reliée à la colonne de liquide dont elle fait partie.
7. Dispositif d’essai géotechnique selon la revendication 5,
   caractérisé en ce que
   les canaux reliant les cavités (216) logeant le filtre (260) à la cavité (233c) de la cellule de mesure (250) comprennent
   - un canal (216a) dans chaque panneau (213), en forme de perçage relié à la cavité (216) du panneau et débouchant dans un décrochement (214a) commun, réalisé dans le filetage (214) de l’élément de base (210),
   - des canaux (222) en forme de perçages reliant le filetage conique extérieur (222a) de l’extrémité (222) du raccord (220) au niveau d’un décrochement (222c) complémentaire au décrochement (214a) et qui est réalisé dans le filetage (222a) et débouchant dans le fond (224a) de la cavité cylindre (24) du raccord (222), cette cavité (24) recevant le module de jonction (230) et son chapeau (240) et
   - des perçages (234) réalisés dans le module (230) et reliant le débouché des canaux (222b) à la cavité (233c) de la cellule de mesure (250).
8. Dispositif d’essai géotechnique selon la revendication 5,
   caractérisé en ce que
   le filtre (260) est en forme de pastille circulaire avec un châssis annulaire (261) dans lequel est sertie une pierre poreuse à haute entrée d’air (262).
9. Appareil d’essai géotechnique de pénétration dans des sols fins et grenus comportant un dispositif d’essai géotechnique selon l’une quelconque des revendications 1 à 8.