Brevet FR2317640A1 — publié le 19770204

La présente invention concerne un dispositif de prise d'échantillon. Pour un grand nombre de raisons, ne serait-ce que pour vérifier la possibilité qu'ont divers terrains de servir de base stable à des constructions telles que gratte-ciel, ponts ou terrains d'atterrissage, ou bien encore pour les travaux de mines ou pour la prospection du pétrole ou du gaz naturel dans le soussol, il est nécessaire d'obtenir des échantillons de terrain (en général mou), afin de les analyser. Pour s'assurer de la nature et des propriétés physiques du terrain sous examen, il est important d'obtenir des échantillons intacts, aussi représentatifs que possible. A cette fin, les pratiques habituelles consistent à forer un trou jusqu'à la profondeur requise, à degager la tige de forage et à substituer au forêt un dispositif pour la prise d'échantillon, puis à redescendre la tige de forage contenant le dispositif de prise d'échantillon dans le trou et le faire pénétrer dans le substrat au fond du trou, afin d'obtenir un échantillon qui est retiré du trou de forage pour être analysé. Les dispositifs conventionnels de prise d'échantillon de terrain comprennent un tube creux muni d'une extrémité coupante in sérée par force dans le sol à analyser, de façon à pousser un échan tillon de forme cylindrique dans le tube où il est maintenu par sa propre compression. L'utilisation de tels dispositifs pour obtenir des échantillons de terrain mou, tels que des argiles molles, du sable ou des boues est peu satisfaisante, car une partie du contenu solide de l'échantillon est perdue lorsque le dispositif est extrait du trou de forage, tout particulièrement lorsque l'échantillon est sablonneux. De plus, une grande partie de l'humidité sous forme liquide a également tendance à être perdue. Pour une évaluation précise des qualités du terrain que l'on examine, il est fondamental que I'échantillon soit récupéré intact et représentatif du terrain à analyser et avec une perte en solide et en humidité aussi faible que possible. I1 est également nécessaire que l'échantillon ne soit pas profondément modifié tel que par compactage, par exemple, lors de son extraction et de sa récupération. Le dispositif de prise d'échantillon selon l'invention permet de prendre un échantillon d'un substrat sédimenteux, tel que de la boue, du sable ou de l'argile molle et de le récuperer sans perte substantielle de solide et d'humidité, ceci avec un compactage minimal et peu de modification de l'échantillon. Le dispositif de prise d'échantillon selon l'invention comprend une enceinte tubulaire délimitant un réceptacle pour un tube d'échantillonnage ,un organe superieur par lequel le dispositif est suspendu, un organe inferieur muni d'une extrémité inférieure coupante entourant une embouchure communiquant avec 1 'inté- rieur du tube d'échantillonnage dispose dans ledit réceptacle, et des moyens de fermeture montés sur l'un desdits organes inférieur et supérieur , situes entre l'embouchure et le tube d'échantillonnage, lesdits moyens de fermeture comprenant des moyens par lames disposés de façon à se mouvoir entre deux positions, une position fermée pour laquelle l'intérieur du réceptacle est sans communication avec l'embouchure, et une position ouverte dans lequel le I 'in- térieur du réceptacle est en communication avec l'embouchure. Les -dits organes inférieur et supérieur sont disposés de façon à se déplacer l'un par rapport à l'autre en coulissant à la manière d'un télescope, le dispositif d'échantillonnage étant muni de moyens pour agir sur lesdits moyens par lames, disposés sur l'autre organe (inferieur ou supérieur) pour se mouvoir avec ce dernier et qui sont mus par le mouvement relatif desdits organes l'un vers l'autre pour faire en sorte que lesdits moyens par lames se déplacent alors vers la position ouverte, et que lors d'un mouvement relatif des deux organes s'eloignant l'un de l'autre, lesdits moyens par lames se mettent en position fermée avec un decoupage du matériau contenu dans le dispositif de prise d'échantillon lors du mouvement des lames de la position ouverte à la position fermee. Grâce au mécanisme de fermeture, une lame, ou des lames, découpent le matériau (sediment) à l'intérieur du dispositif, l'isolement de l'échantillon et son maintien dans le tube d'échan tillonnage etant réalisés avec un compactage ou tassement minimal, et sans autre modification de l'état de l'échantillon, l'opération de fermeture étant effectuée avec un effort minimal. L'effort est ainsi fourni par le mouvement relatif de l'organe supérieur cou lissant par rapport à l'organe inférieur, les deux organes se désemboitant partiellement l'un par rapport à l'autre durant les premiers instants pendant lesquels le dispositif est soutiré du trou de forage, après qu'il ait été enfoncé dans le terrain à analyser.Ce mouvement est autorisé à la fois par la masse inertielle de organe inférieur du dispositif et également par les forces de friction exercées par le sol sur l'organe inférieur, sol où ledit organe a été en partie enfonce. La réalisation du dispositif est facilitée par le montage de ou des lames de fermeture sur l'organe inférieur et la fixation des moyens pour mouvoir lesdites lames sur l'organe supérieur avec lequel ils se meuvent. Le découpage peut être réalisé par des moyens par lames qui n'occupent qu'un espace annulaire de dimensions réduites lorsqu'ils sont en position ouverte. Ceci est réalise grâce à des moyens pour faire pivoter les lames selon un arc de cercle, entre les positions ouverte et fermée, les faces des moyens par lames entre le bord de coupe et le bord de guidage décrivant un arc de rayon sensiblement égal autour des axes des pivots. En utilisant une pluralité de lames de façon à ce que dans la position fermée lesdites lames cooperent pour réaliser une fermeture étanche, lesdites lames, dans la position ouverte sont situées à l'intérieur d'un espace annulaire de dimensions réduites.Ledit espace annulaire est réalisé à l'intérieur d'une cavité ménagée dans l'épais- seur du réceptacle, ce qui permet d'obtenir des échantillons dont la surface de section droite est une fraction importante de la section du trou de forage. Le corps du dispositif de prise d'échantillon est préfé- rentiellement de forme cylindrique pour qu'on puisse l'insérer dans des trous de forage de même géométrie Par conséquent, 1 'embou- chure du dispositif et le réceptacle pour l'échantillon sont avantageusement également de section droite circulaire, et les moyens de fermeture comprennent une pluralité de lames montées de façon à pouvoir pivoter selon un arc entre les positions ouvertes et fermées. La géométrie des lames est telle qu'en position fermee elles constituent un dôme, surface identifiable à une portion de sphère ou de sphéroïde dont la concavité est tournée vers l'embouchure du dispositif ou tournée vers le haut du dispositif. On utilise de préférence deux lames qui,en- position fermée se joignent selon un plan diamétral du réceptacle.De préférence, chaque lame pivote autour d'un axe situe sur l'organe inférieur et peut être solidarisée envers l'organe supérieur, de façon à se mouvoir entre une position ouverte et une position fermee en fonction du mouvement relatif de ces deux organes, par l'intermédiaire d'un organe élastique déformable tel qu'un ressort à lame métallique, de façon à ce que le mouvement rectiligne de l'organe superieur se traduise par un mouvement de pivotement des lames. Dans un mode de réalisation préférentielle, les moyens pour faire mouvoir les. lames incluent également un épaulement appuyant sur le bord de guidage de chaque lame pour pousser les lames l'une contre l'autre vers la position fermée. Les organes supérieur et inférieur comprennent de préférence des parties tubulaires s'emboîtant les unes dans les autres, de façon telescopique, pour former l'enceinte du dispositif de prise d'échantillon. Les buts et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description qui suit de deux exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles on a représente - sur la figure 1, une vue verticale en coupe d'un mode de réalisation du dispositif de prise d'échantillon selon l'invention, - sur la figure 2, une vue en perspective partielle, en coupe partielle d'une partie du dispositif représenté sur la figure 1, - sur la figure 3, une vue en coupe verticale d'un autre mode de réalisation de l'invention, - sur la figure 4, une vue en perspective et en coupe partielle du dispositif représenté sur la figure 3, et - sur la figure 5, des vues successives représentant le mode de fonctionnement de 1 'échantillonneur selon l'invention. Sur la figure 1, l'échantilionneur selon l'invention comprend un organe supérieur 2 qui comprend un bâti tubulaire 4 s'étendant vers le bas, lequel coulisse à l'intérieur d'un second bâti tubulaire 6, qui constitue en partie l'organe inférieur 8 du dispositif. Les bâtis ou enceintes tubulaires 4 et 6 constituent dans leur ensemble l'enceinte du dispositif selon 1 'inven- tion, ménageant un réceptacle 10 pour le tube d'echantillonnage 12 qui coulisse librement à l'intérieur de l'organe tubulaire 4, de préférence un manchon en plastique. L'organe supérieur comprend une pièce supérieure tronconique 14 qui se visse en 16 sur l'embouchure du bâti tubulaire 4 et qui comprend à son extrémité supérieure, un trou fileté 18 destiné à être vissé à l'extrémité d'une tige de forage. L'organe supérieur comprend également des passages 20 débouchant dans l'in térieur de l'enceinte et un clapet de non retour 22 destiné à éliminer tout excès de fluide existant à l'intérieur de l'enceinte. L'organe inférieur 8 comprend une extrémité inférieure coupante 24 dont l'embouchure 26 communique avec l'intérieur de l'enceinte. Au-dessus de l'extrémité inférieure coupante 24 et à l'intérieur de l'organe tubulaire 6 est situé un manchon 28 solidaire de l'extrémité inférieure coupante 24, au moyen d'un jeu de vis 30. L'ensemble constitué par le manchon et I'extrémité inférieure coupante est solidaire du bâti tubulaire 6 par l'intermé- diaire du jeu de vis 32. Le manchon 28 sert de support à deux lames 34 qui pivotent autour des pivots 35, chacune de ces deux lames ayant la forme d'une portion de sphère, de telle sorte que lorsque les deux lames sont adjacentes et appuyées l'une contre l'autre, elles forment un dôme plus visible sur la figure 2. Le bâti tubulaire 4 de l'organe supérieur 2 est muni de fentes 38. Disposé à l'intérieur de chacune de ces fentes, un téton 40 est fixé sur l'organe tubulaire 6, de telle sorte que l'organe superieur peut coulisser par rapport à l'organe inferieur à l'intérieur des limites définies par le contact des extrémités inférieure et supérieure des fentes 38 avec les tétons 40. L'extrémité inférieure de l'organe tubulaire 4 est munie d'un prolongement 42 se terminant par un épaulement 44 qui est situé sous les bords de guidage des lames 34. Chacune des lames 34 est solidaire de l'épaulement correspondant 44 au moyen d'un ressort à lame 46. En fonctionnement, après qu'un trou ait été- percé à l'aide d'un equipement standard, la pointe de foret est enlevée et le dispositif échantillonneur selon l'invention est fixé sur la tige de forage à la place du foret et descendu jusqu'au fond du trou de forage (fig. 5A). Tandis que le dispositif est descendu jusqu'au fond du trou, le poids de l'organe inférieur 8 fait qu'il pend de l'organe supérieur 2, les teutons 40 étant en contact avec les extrémités inférieures des fentes 38, ce qui fait que les lames 34 du dispositif de fermeture sont en position fermée.Ceci est un point important, car si les lames sont en position rétractée, des matériaux peuvent pénétrer dans le tube d'échantillonnage durant la descente du dispositif et modifier l'analyse de l'échantillon de terrain en faussant la composition de l'échantillon prélevé. Lorsque le dispositif atteint le bas du trou, la pression de l'extrémité supérieure du dispositif combinée avec la résistance du terrain en bas du trou empêche un mouvement descendant rapide de l'extrémité inférieure du dispositif, ce qui a pour effet un désengagement ou désemboPtement par téléscopage du dispositif, l'organe tubulaire 4 étant poussé et sa partie 42 etant également poussée vers le bas, jusqu'à ce que les tétons 40 soient en contact avec l'extrémité supérieure des fentes 38, ce qui fait que les ressorts à lames 46 associés aux lames 34 sont tirés vers le bas, et les lames se mettent alors en position ouverte. A ce point, les tétons 40 étant en contact avec les ex trémités supérieures des fentes 38, une augmentation de la pression exercée sur le dispositif au moyen de la tige de forage a pour effet de faire pénétrer l'extrémité inférieure coupante dans le terrain sédimenteux à analyser,qui est alors emmagasiné sans modi fication à I'intérieur du tube interne d'échantillonnage 12 (fig. 5B). Lorsque l'échantillon a été emmagasiné dans le tube 12, la suite d'opérations engendrant le mouvement des lames en position fermée commence. Comme l'organe supérieur 2 est soulevé (fig. 5C), le bà- ti tubulaire 4 est tiré vers le haut. En revanche, l'organe infé rieur 8 est retenu par son propre poids et les forces de friction exercées par le terrain sur ce même organe. Ainsi, l'effort de tension exercé sur le bâti tubulaire 4 fait glisser celui-ci vers le haut par rapport à l'organe infé rieur 8, jusqu'à ce que les tétons 40 soient en contact -avec les extrémités inférieures des fentes 38 et empêchent tout mouvement relatif subéquent. Le mouvement du bâti tubulaire 4 soulève le prolongement 42 puis pousse les ressorts à lames 46 et l'epaule- ment 44 contre les lames 34 de façon à ce que ces lames découpent le sédiment et viennent se réunir en position adjacente fermée, position dans laquelle elles scellent et isolent dans le tube 12 l'échantillon, y compris l'humidité contenue, de l'embouchure du dispositif. Ce n'est qu'apres l'opération de fermeture des lames 34, decrite précédemment que la partie inférieure du dispositif comprenant l'organe tubulaire 6 est remontée le long du trou de forage, à cause du blocage des tétons 40 avec la partie inférieure des fentes 38 (Fig. 5D). quand le dispositif a été enlevé du trou de forage, il est détaché de la tige de forage et récupéré. On dévisse alors la partie tronconique 14 de la partie supérieure 4, et le tube 12 contenant l'échantillon coulisse hors du dispositif. Pour le nettoyage du dispositif, la partie tronconique 14 est dévissée du sommet de l'organe tubulaire , les vis 32 et les tétons 40 sont enlevés, ce qui permet alors de faire coulisser vers le bas et de désassembler l'organe tubulaire 4, l'extrémité inférieure coupante 24, le manchon 28 et les lames 34. On désolidarise alors le manchon 28 de l'extrémité inférieure coupante en dévissant les vis 30. Sur les figures 3 et 4, on a representé une variante de réalisation du dispositif selon l'invention, les mêmes organes que sur les figures I et 2 étant dénotes par les mêmes références. Dans la variante illustrée par les figures 3 et 4, l'organe tubulaire 4 de l'extrémité supérieure comprend une partie su périeure 50 et une partie inférieure 52 reunies par les vis 54. La partie inférieure 52 est munie d'un épaulement 56, lequel, lorsque le dispositif est en position emboitée, est en contact avec la surface supérieure de l'organe tubulaire 6 de la partie inférieure 8 du dispositif. Dans cette variante, on a éliminé le manchon 28. En remplacement, la partie inférieure du prolongement tubulaire 4 de l'organe supérieur est munie vers sa partie basse d'un rebord interne 58 sur lequel repose la chemise amovible 12. Les pivots des lames 34 sont des tiges filetées 60 vissées de l'extérieur de l'organe tubulaire 6, comme représenté sur la figure 4. L'extrémité inférieure coupante 24 est solidaire de la'organe tubulaire 6 par vissage, comme représenté en 2 sur les figures 3 et 4. Il est clair qu'au moyen du dispositif selon l'invention on peut prélever un échantillon de sédiment intact et représentatif, en ne perdant qu'un minimum de liquide. Le dispositif selon l'invention a une forme extérieure de préférence cylindrique, facilement usinable et de dimensions telles qu'il est aisément utilisable dans les trous de forage réalisés avec des moyens classiques. De plus, le dispositif selon l'invention n'inclut pas d'organes rotatifs ni d'organes de martellement, comme dans les dispositifs de l'art antérieur utilisés pour obtenir un échantil- lon, l'absence de ces éléments assurant que l'échantillon obtenu reste peu modifié lors du prélèvement, grâce au dispositif selon l'invention. Le dispositif permet aussi une fermeture quasi complète de l'enceinte dans laquelle l'échantillon est emmagasiné, ce qui fait que ledit echantillon est récupéré intact. L'utilisation dans un mode préférentiel de l'invention, de lames courbées pour réaliser la fermeture permet le piégeage de l'échantillon à l'intérieur du dispositif avec un effort minimum qui peut être aisément fourni par le mouvement relatif des extrémités inférieure et supérieure du dispositif. Bien que le dispositif selon l'invention ait été décrit dans le but de prélever des échantillons de terrain, l'invention peut être utilisée pour tout autre application, comme par exemple la prise d'échantillon sous-cutané sur le corps humain. REVENDICATIONS 1. Dispositif de prise d'échantillon caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte tubulaire délimitant un réceptacle pour un tube d'échantillonnage, un organe supérieur par lequel le dispositif est suspendu, un organe inférieur muni d'une extrémité inférieure coupante entourant une embouchure communiquant avec l'intérieur du tube d'échantillonnage disposé dans ledit recep tacle, des moyens de fermeture montés soit sur l'organe inférieur (soit sur l'organe supérieur), et disposés entre l'embouchure et le tube d'échantillonnage, lesdits moyens de fermeture comprenant des moyens par lame disposés de façon à se mouvoir entre une posi tion fermée pour laquelle l'intérieur de l'enceinte est sans com munication avec l'embouchure et une position ouverte pour laquelle l'intérieur de l'enceinte communique avec l'embouchure, lesdits organes supérieur et inférieur pouvant coulisser l'un par rapport à l'autre ; le dispositif comprend également des moyens pour agir sur lesdits moyens par lame , monts sur l'autre organe supérieur (ou inférieur) pour se mouvoir avec celui-ci et qui sont ainsi mus par le mouvement relatif de deux organes l'un par rapport à l'autre pour faire passer lesdits moyens par lame de la position ouverte à la position fermée en decoupant le matériau contenu dans le dispositif. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérise en ce que les moyens des fermetures sont solidaires de l'organe supérieur et les moyens pour agir sur les moyens par lame sont solidaires de l'organe supérieur. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérise en ce que les moyens de fermeture comprennent une nluralitè de lames qui, en position fermée coopèrent pour isoler l'intérieur de l'enceinte de l'ouverture, et en position ouverte sont logees dans une cavité sensiblement ménagee dans l'épaisseur de la paroi de l'enceinte. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens par lame pivotent pour se mouvoir selon un arc entre les positions ouverte et fermée, les faces des moyens par lameentre lebord d'attaque des lames et le bord de guidage décrivant un arc de rayon sensiblement égal autour des axes des pivots. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'embouchure et l'enceinte sont de sections circulaires, et en ce que les moyens de fermeture comprennent une pluralité de lames dont la géométrie est telle qu'en position fermée, elles constituent une surface en forme de dôme. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de fermeture comprennent une paire de lames qui, en position fermée,sont adjacentes selon un plan diametral de l'enceinte. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que chaque lame est solidaire de l'organe supérieur par I'intermédiaire d'un organe défortrab-le élastiquement. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les moyens pour agir sur les lames comprennent un épaulement agissant sur le bord de guidage de chaque lame pour déplacer la lame vers la position fermée. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ç 89 caractérise en ce que les organes superieur et inférieur comprennent des organes tubulaires s'emboîtant de façon télescopique pour réaliser l'enceinte dudit dispositif. 10. Application du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 à la prise d'un échantillon d'un terrain mou sedimenteux.