Brevet FR2474171A1 — publié le 19810724

La présente invention a pour objet un pénétro- mètre statique; elle appartient ainsi au domaine des moyens de reconnaissance des sols et,plus particulière- ment, au secteur technique des appareils permettant d'effectuer des essais de pénétration en vue de la mesu- re " in situ " de la résistance statique des sols. L'essai de pénétration, moyen de reconnaissance des sols couramment utilisé, consiste actuellement à fon- cer dans le sol, de haut en bas, une sonde placée à l'extrémité inférieure d'un train de tubes ou de tiges. Ce fontage peut s'effectuer:soit par battage, au moyen d'un mouton qui vient frapper une enclume solidaire du sommet du train de tubes ou de tiges, le dispositif étant alors appelé " pénétromètre dynamique";soit par vérinage A vitesse lente, auquel cas il s'agit d'un"pî- nétromètre statique ". La réaction,qu'il convient d'exer- cer pour foncer un tel pénétromètre statique, et qui devient considérable dès que le sol est compact, est fournie soit par des ancrages, soit par le poids du véhicule sur lequel est fixé l'appareil,ce qui impose l'emploi de dispositifs encombrants et parfois ineffica- ces (ancrages),ou d'un engin sur roues lourd (15 à 18 tonnes) qu'il n'est pas toujours possible d'amener sur les sites " difficiles ". La présente invention vise à remédier à ces inconvénients; son but est donc de fournir un appareil permettant d'effectuer un essai de pénétration"statique" en se libérant des diverses contraintes exposées pré- cédemment. A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet un pénétromètre statique dont l'élément foncé ou foré dans le sol sert de logement à un vérin d'axe sen- siblement horizontal dont le piston,soumis sur l'une au moins de ses faces A la pression d'un fluide hydrau- lique ou pneumatique, est solidaire d'une tige apte à être enfoncée latéralement dans le sol ou rétractée à l'intérieur de l'élément précité, des moyens étant pré- vus pour repérer la position de indite tige et mesurer la pression exercée sur celle-ci. L'originalité principale de l'appareil objet de la présente invention réside donc dans le fait que l'essai de pénétration statique s'effectue suivant un axe horizontal, à toute profondeur souhaitée, au moyen d'un vérin de préférence à double effet, logé à l'inté- rieur d'un élément foncé ou foré dans le sol,tel qu'une pointe cylindroconique,le vérin ayant son axe dirigé perpendiculairement à l'axe de cette pointe (et du train de tubes ou de tiges qui permet de faire descendre ladite pointe dans le sol). L'effàrt de réaction à l'enfoncement de la tige est fourni par le contact laté- ral de l'élément foncé ou foré sur le sol. Cette réac- tion peut être très nettement supérieure à l'effort de pénétration, compte tenu du rapport des surfaces de la tige et de l'élément foncé ou foré. La tige peut ainsi être introduite dans le sol sous une pression connue, puis rétractée à la fin de l'essai dans son logement,de manière à poursuivre le fonçage ou le forage vertical de l'élément qui la contient, avant d'effectuer un nouvel essai à une autre profondeur. L'appareil permet, par des mesures de pression et de déplacement, de connaître la résistance à la péné- tration statique du sol, l'interprétation de l'essai étant la m8me que pour un essai de pénétration statique classique, la seule différence étant que la mesure s'effectue selon un axe horizontal (comme pour l'essai pressiométrique "connu); la lecture de la pression aux différents stades.'enfoncement de la tige permet une mesure de la résistance du sol, à une profondeur donnée. Si l'on désire effectuer des mesures selon plusieurs directions, à une même profondeur, il est possible,une fois la tige rétractée, de faire pivoter l'élément foncé ou foré, autour de son axe vertical, d'un angle voulu, et de procéder alors à un second essai selon une autre direction; l'opération peut être, éventuellement,r:pé- 2/474171 tée une troisième, une quatrième fois...... L'invention donne lieu à diverses formes de réali- sation, suivant les moyens prévus pour déplacer la tige, dans le sens de son enfoncement dans le sol et de sa rétraction, et pour mesurer pressions et déplacements. Dans une première forme de réalisation, la pres- sion sur le piston du vérin d'axe horizontal est exercée, au moins dans le sens de l'enfoncement de la tige dans le sol, par l'intermédiaire d'un fluide hydraulique mis en pression par un gaz comprimé, des moyens étant prévus pour mesurer la pression et le volume de ce dernier, en vue de connaÂtre la résistance du sol et repérer la posi- tion de la tige. Le vérin peut être à double effet,au- quel cas c'est le gaz précité qui, agissant directement sur l'autre face du piston, permet de rétracter la tige. En variante, toujours dans le cas ici considéré o un liquide transmet la pression destinée à enfoncer la tige dans le sol et permet également le repérage en position de cette tige, l'effort de rappel, tendant à rétracter ladite tige, peut être fourni par un ressort hélicoïdal. Selon le cas, deux tubulures souples, ou une seule,assu- rent la liaison entre l'appareillage situé à l'air libre et l'élément descendu dans le sol qui renferme le vérin d'axe horizontal. De préférence, la tubulure souple qui renferme le fluide hydraulique est entourée d'une tubu- lure coaxiale, contenant du gaz, afin d'annuler les dilatations parasites de la tubulure intérieure. Dans une autre forme de réalisation, la pression sur le piston du vérin d'axe horizontal est exercée,au moins dans le sens de l'enfoncement de la tige dans le sol, par l'intermédiaire d'un fluide indifféremment pneumatique ou hydraulique, mais la position de la tige est repérée par un capteur de déplacement électrique ou électronique, du type inductif par exemple.Pour la mesure de la pression pneumatique ou hydraulique s'appli- quant sur le piston du vérinon peut dans ce cas utiliser également un transducteur électronique; une mesure ma- 2 I 74417 nométrique reste cependant possible. De toute façon, l'invention sera bien comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au des- sin schématique annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, quelques formes de réalisation de ce pénétromètre statique: Figure 1 est une vue en coupe verticale,passant par l'axe, de la pointe d'un pénétromètre conforme à l'invention; Figure 2 représente, très schématiquement,les cir- cuits d'alimentation et de mesure associés à la pointe de la figure 1; Figure 3 montre, en coupe verticale passant par l'axe, une variante de la pointe selon la figure 1; Figure 4 représente, en coupe verticale passant par l'axe, encore une autre forme de réalisation de la pointe d'un pénétromètre conforme à l'invention; Figure 5 est une vue, très schématique,des circuits d'alimentation et de mesure associés à la pointe de la figure 4. La figure I montre la pointe cylindro-conique 1 d'un pénétromètre, solidaire de l'extrémité inférieure d'un train de tubes ou de tiges 2 foncé dans le sol se- lon les procédés classiques. La pointe 1-cemporte,dans sa partie cylindrique, un alésage 3 d'axe horizontal 4, débouchant latéralement. Dans l'alésage 3 est logé un petit vérin à double effet,comprenant une chemise exté- rieure 5 sertie dans cet alésage et un piston 6,avec joint d'étanchéité 7 solidaire d'une tige 8. La chemi- se 5 présente, à ses deux extrémités, des lumières 9 et 10 pour l'alimentation en fluide du vérin;elle est maintenue en place par une bague vissée 11 avec joint d'étanchéité 12, traversée par la tige 8. La pointe 1 possède deux canaux verticaux 13 et 14, en communication par leurs extrémités inférieures avec les lumières respectives 9 et 10. Enfin la pointe 1 comporte une vis de purge 15. z È a " 'I î 71 Des fluides sous pression sont amenés à l'ensemble précédemment décrit au moyen de tubulures souples 16 et 17, connectées aux extrémités supérieures des canaux 13 et 14 par l'intermédiaire de raccords respectifs 18 et 19. Un fluide hydraulique agit sur la face du pis- ton 6 opposée à la tige 8, et force cette dernière à pénétrer horizontalement dans le sol 20,comme illustré très schématiquement sur la figure 2 qui montre, égale- ment, les circuits d'alimentation et de mesure,décrits ci-après: Le fluide hydraulique est mis en pression par l'intermédiaire d'un gaz comprimé (air ou azote),fourni par une bouteille 21 équipée d'un détendeur 22 et d'un manomètre 23. Un second détendeur 24 permet de régler finement la pression mesurée par un manomètre de préci- sion 25. Ce circuit pneumatique est relié à une tubulure transparente et graduée 26, aboutissant à un boîtier 27, auquel est raccordée aussi la tubulure souple 16.La surface de séparation gaz-fluide hydraulique 28 est si- tuée en regard des graduations de la tubulure 26, et ceci permet de connaître avec précision la position de la tige 8, lorsque celle-ci pénètre dans le sol 20.Le gaz est admis dans la tubulure transparente et graduée 26 au travers d'une vanne 29, en aval de laquelle est encore prévu un robinet de purge 30. La tubulure de fluide hydraulique 16 est entourée d'une tubulure coaxiale 31, contenant du gaz,de manière à annuler les dilatations parasites de la tubulure inté- rieure. La tubulure 31 est mise en communication avec la source de gaz, par l'intermédiaire d'une vanne 32 et du boîtier 27 déjà mentionné. La vanne 32 permet le passage du gaz soit en direction du boîtier 27, soit vers la tubulure souple 17 par l'intermédiaire d'une autre tubulure 33,sur la- quelle est prévu un robinet de purge 34. Pour rétracter la tige 8, on coupe la pression du circuit hydraulique, au moyen de la vanne 29 et du robinet de purge 30, et - " 74'7 l'on applique une pression de gaz sur la face du piston 6 située du côté de la tige 8; à cet effet, la vanne 32 est basculée en direction des tubulures 33 et 17, après fermeture du robinet de purge 34. Des raccords rapides sans variation de volume et 36 sont, de préférence, montés entre les tubu- lures 16-31 et 17, d'une part, et les circuits d'ali- mentation et de mesure situés à l'air libre,d'autre part, de manière à permettre des manoeuvres faciles,au fur et à mesure que la pointe 1 servant de logement au vé- rin progresse en profondeur,par adjonction de tubes ou de tiges 2. L'ensemble des circuits est encore complété par deux autres robinets de purge 37 et 38. La figure 3 représente une variante de la pointe 1, les éléments correspondant à ceux de la figure 1 étant désignés par les mêmes repères. A la différence de la première forme de réalisation précédemment dé- crite, l'effort de rappel du piston 6, pour la rétrac- tion de la tige 8, n'est pas assuré par un circuit de gaz comprimé. Ainsi la tubulure 17, le canal 14 et la lumière 10 sont supprimés. A la place, est prévu un ressort de rappel hélicoïdal taré 39, logé entre la chemise extérieure 5 et la tige 8, et comprimé entre une face du piston 6 et la bague 11. Les circuits d'alimentation et de mesure peuvent toujours être réa- lisés selon le schéma de la figure 2 mais, bien entendu, la tubulure de gaz 33 n'est alors plus nécessaire. Dans une autre forme de réalisation,illustrée par les figures 4 et 5, l'ensemble piston 6-tige 8 est équipé d'un noyau magnétique 40, et la chemise 3 com- prend des enroulements électro-magnAtiques 41 consti- tuant deux bobines connectées en demi-pont,de sorte que le mouvement du noyau 40 à l'intérieur de ces bobines détermine un déséquilibre inductif, le tout formant un capteur inductif de déplacement classique. Comme dans la première forme de réalisation décriti la pression permettant la pénétration horizontale de la tige 8 dans le sol 20 est fournie par une bouteille de gaz comprimé 21, et transmise jusqu'à une face du piston 6 par l'intermédiaire d'une tubulure 16, d'un canal 13 et d'une lumière 9. Cette pression est mesurée par un manomè- tre 25 situé à la sortie d'un détendeur 24; la pression pneumatique est appliquée soit directement,soit par l'in- termédiaire d'un fluide hydraulique comme sur le schéma de la figure 2. Les moyens ici utilisés pour la rétraction de la tige 8 ne sont pas représentés,pour la clarté du dessin, mais ils peuvent,bien entendu, être réalisés sui- vant les solutions illustrées par les figures 1 à 3. A chaque position de la tige 8 correspond une valeur de l'intensité du courant nécessaire à l'équilibra- ge du pont. Pour alimenter les bobines 41 et effectuer la mesure, ces bobines sont raccordées à trois fils électriques 42, qui passent à l'intérieur de la tubulure souple 16 puis en sortent par un bottier de dérivation 43, situé sur la partie à l'air libre de ladite tubulure 16. Ces fils 42 aboutissent à un bottier de mesure 44, alimenté par deux piles électriques 45 montées en série, et pouvant être relié à un enregistreur à bande 46. Dans une variante illustrée par les mêmes figures 4 et 5, la pression s'appliquant sur le piston 6 du vérin est mesurée par un transducteur électronique de pression 47, placé par exemple sur le raccord 18, ce transducteur délivrant un signal transmis,par l'inter- médiaire de fils électriques supplémentaires 48, jusqu'au bottier de mesure 44 éventuellement relié à l'enre- gistreur à bande 46. On peut aussi équiper la tige 8 d'un capteur de déplacement, de type potentiomètre linéaire, dont la variation de résistance devient, alors, la grandeur mesurée par le bottier 44. Comme il va de soi, et comme il résulte déjà de _-. il 71 ce qui précède, l'invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation de ce pénétromètre statique qui ont été décrites ci-dessus, à titre d'exemples; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes conçues selon le même principe, quels qu'en soient les détails de réalisation,et quels que soient l'élément logeant le vérin et les moyens utilisés pour enfoncer cet élément dans le sol. En particulier: - -Sur les figures, la tige 8 a été représentée avec un diamètre inférieur à celui du piston 6, mais ce rapport de diamètres peut être inversé, pour accro trela sensibi- lité de l'appareil dans les sols peu résistants. -L'élément logeant le vérin a été représenté comme étant une pointe cylindro-conique 1,formant elle-même une son- de de pénétromètre dynamique,battue dans le sol par un mouton selon les procédés habituels dans ce domaine tech- nique,auquel cas le dispositif selon l'invention permet de compléter la pénétration dynamique par un essai de pénétration statique, à toute profondeur souhaitée. Cependant l'élément qui supporte le vérin peut être une sonde quelconque, un carottier,etc...enfoncé dans le sol par fonçage, forage ou tout autre procédé applica- ble..., sans que l'on s'écarte du cadre de l'invention. - ?171 -REVENDICATIONS - 1.- Pénétromètre statique, caractérisé en ce qu'il comprend un élément (1) foncé ou foré dans le sol (20), tel que pointe cylindro-conique, servant de logement à un vérin d'axe (4) sensiblement horizontal dont le pis- ton (6), soumis sur l'une au moins de ses faces à la pression d'un fluide hydraulique ou pneumatique, est solidaire d'une tige (8) apte à être enfoncée latérale- ment dans le sol (20) ou rétractée à l'intérieur de l'élément précité (1), des moyens étant prévus pour re- pérerla position de ladite tige (8) et mesurer la pres- sion exercée sur celle-ci. 2.- Pénétromètre statique selon la revendication 1,caractérisé en ce que la pression sur le vérin d'axe horizontal (4) est exercée, au moins dans le sens de l'enfoncement de la tige (8) dans le sol (20),par l'in- termédiaire d'un fluide hydraulique mis en pression par un gaz comprimé, des moyens (25,26) étant prévus pour mesurer la pression et le volume de ce dernier,en vue de connaître la résistance du sol (20) et repérer la position de la tige (8). 3.- Pénétromètre statique selon la revendication 2,caractérisé en ce que le vérin est à double effet, le gaz précité agissant directement sur l'autre face du piston (6) pour rétracter la tige (8). 4.- Pénétromètre statique selon la revendication 2,caractérisé en ce que, alors qu'un liquide transmet la pression destinée à enfoncer la tige (8) dans le sol (20) et permet le repérage en position de cette tige, l'effort de rappel,tendant à rétracter ladite tige(8), est fourni par un ressort hélicoïdal (39). 5.- Pénétromètre statique selon l'une quelconque des revendications 2 à 4,caractérisé en ce que deux tubulures souples (16,17), ou une seule (16),assurent la liaison entre l'appareillage situé à l'air libre et l'élément (1) descendu dans le sol (20) qui renferme le vérin d'axe horizontal (4), la tubulure souple (16) qui rnferme 'e fu:ie hydraulique 'tant, de nr'-férence,en- touree d'une tubulur- c-a--ale (31) contenant du gaz. c.- ntrom re..;ttinue selon l'ensemble des revendications 5 et 5,caract'risa en ce que la source de gaz (2!) est apte être mise en communicationspar l'intermAdiaire P'une vanne (32),soit avec la tubulure (31) entourant celle (16) qui renferme le fluide hydrau- 1:que agissant dans le sens de l'enfoncement de la tige (8), soit avec la tubulure (17) prAvue pour la rétrac- tion de ladite tige (8). 7.- PAnStromètre statique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression sur le piston (6) du vérin d'axe horizontal (4) est exerc6e, au moins dans le sens de l'enfoncement ne la tige (8) dans le sol(20), par l'interm4diaire d'un fluide pneumatique ou hydrauli- que,mais la position de la tige (8) est repAr4e par un capteur de déplacement électrique ou électrGnique(40,41), du type inductif par exemple. 8.- PénStromètre statique selon la revendication 7,caract risA en ce que la mesure de la pression rneuzma- tiaue ou hydraulique s'appliquant sur le piston (6) du vérin est faite par un transducteur 4lectronique (47).