Brevet FR2606829A1 — publié le 19880520

Pointe-crépine pour essais Lefranc et dispositif et procédé de mise en oeuvre L'invention concerne les mesures de débits d'injection dans un forage. Il est connu d'enregistrer un certain nombre de paramètres, en relation avec la nature du sol, lors de la réalisation d'un forage : vitesse de déplacement du train de tiges, pression d'injection au niveau d'une tête d'injection, couple de la tête de forage, accélérations mesurées sur la tête de forage, etc. Ces paramètres, ou plut8t les variations de ces paramètres, peuvent donner lieu à l'établissement d'une diagraphie ayant pour but de renseigner sur les différentes couches du sol.Malheureusement ces mesures, prises directement sur l'outil de forage (taillant, trépan ou carottier) ne tiennent pas compte de certains phénomènes liés au forage (par exemple, le bourrage des matériaux) et conduisent à des résultats manquant de fiabilité : les informations déduites des mesures sont parfois confirmées, parfois complètement contredites, par la réalité. On connaît aussi des essais d'eau, en pompage ou en injection, destinés è fournir des indications sur la perméabilité des couches du sol. Un essai de ce type, l'essai Lefranc, consiste à définir au pied d'un tubage une cavité -appelée lanterne- dans laquelle se pratique l'injection au moyen d'une crépine reliée par une conduite appropriée à des moyens d'injection d'eau sous pression, la lanterne étant obturée à sa partie supérieure par une étanchéité. Cette étanchéité, qu'elle soit réalisée par un bouchon d'argile ou par des obturateurs gonflables, est généralement très imparfaite. Par ailleurs, le volume de la lanterne, très mal défini, donne lieu à un écoulement semi-sphérique non contrôlé. Enfin, l'ensemble de l'essai Lefranc traditionnel exige un personnel relativement qualifié. Le but de l'invention est de proposer un nouveau procédé et dispositif d'étude des sols, pour permettre de réaliser des essais faciles à mettre en oeuvre, rapides, n'exigeant pas de qualification spéciale du personnel de chantier (notamment en suppri mant la réalisation indépendante d'une étanchélté). L'invention atteint son but grâce à la conception d'une nouvelle pointe-crépine pour la réalisation d'essais d'eau par injection. Cette pointe-crépine est constituée d'un tube comportant une crépine centrale définie par deux sections extrêmes de diamètre sensiblement identique entre lesquelles est interposée une section cylindrique de diamètre restreint percée de trous d'injection en aval de la crépine, une pointe cylindrique de fonçage terminée coniquement, de diamètre inférieur à celui des sections extrêmes en amont de la crépine, une zone d'étanchéité comportant au moins un surdiamètre supérieur au diamètre des sections extrêmes. Cette pointe-crépine comporte à sa partie supérieure des moyens d'assujettissement au bas d'un tubage, lequel est foncé à force dans le sol, opération rendue possible grâce à la pointe de fonçage. Les dimensions de la pointe sont choisies de manière que le bulbe des contraintes à la pointe se referme en dessous du niveau de la crépine, de sorte que la zone d'injection de celle-ci ne risque pas d'être en contact avec le sol et d'en subir l'usure. La zone d'injection, étant comprise entre deux zones extrêmes ou manchons de diamètre supérieur, définit une lanterne annulaire cylindrique de volume bien défini à partir de laquelle l'écoulement s'effectue quasi-horizontalement. Le manchon inférieur empêche le colmatage de la crépine. Au dessus de la crépine la zone d'étanchéité comporte un ou de préférence deux sections de surdiamètre croissant, qui réalisent automatiquement l'étanchéité de la lanterne d'injection vers le haut. Le profil de cette zone d'étanchéité, dont le diamètre va croissant du bas vers le haut est adapté pour ne pas entraver l'opération de fonçage par des efforts de résistance trop importants. I1 est avantageux que la pointe de fonçage comporte un embout conique amovible, par exemple par vissage. Cela permet de la remplacer après usure, ou de lui substituer une pointe électrique. Enfin, cet embout comporte avantageusement une cavité borgne prolongeant le passage intérieur du tube et communiquant avec l'intérieur de la crépine : cette cavité peut servir à recueillir un dépôt de matériau s introduisant à l'intérieur de la crépine lors d'une discontinuité de la mise en charge. En principe, un tel déport n'est pas observé si le fonctionnement de l'appareillage est correct, car on maintient la crépine en charge, au moins statique, de façon permanente. Le tube de la pointe-crépine comporte à la partie supérieure de son passage intérieur des moyens de raccordement amovible étanche avec une conduite souple d'amenée d'eau d'injection. Cette conduite passe à l'intérieur du tubage et est raccordée, à la surface du sol, à un appareillage de centrale et de mesure. Cette conduite peut du reste être retirée provisoirement pour accéder au tubage et y introduire, par exemple, une sonde de diagraphie par rayon gamma. La crépine de l'invention est spécialement conçue pour tester de minces couches de sol, d'où ses faibles dimensions : la hauteur L de la crépine est de l'ordre de 5 à 6 cm. Il est ainsi possible de faire des mesures répétées lors du fonçage, par exemple par paliers de lOcm (ce qui ne laisse que 5 ou 4cm inexplorés directement par la crépine) et permet de détecter des hétérogénéités du sol de petite taille. Le rapport L/D entre la hauteur L et le diamètre extérieur D de la lanterne est avantageusement compris entre 0,5 et 2, mais de préférence voisin de 1 de manière à réaliser le meilleur compromis entre la nécessité de disposer d'une surface d'écoulement suffisante et d'une protection efficace par les deux manchons adjacents. Ces manchons, légèrement coniques, protègent la crépine grâce à la différence de diamètre d'environ lcm avec la zone d'injection, et participent aussi à l'étanchéité. Le volume des zones de surdiamètre de la pointe-crépine est par exemple de l'ordre du double de celui de la pointe, ce qui entraîne une pression appliquée au niveau de ces surdiamètres très proche de la pression limite du sol : le serrage obtenu est proche du maximum possible. L'ensemble de ces dispositions permet de réaliser par journée normale de travail de 10 à 25 mètres linéaires de forage, soit 50 à 125 essais par paliers de 20cm, ou bien en essais en continu pour l'obtention d'une diagraphie. gela représente un avantage considérable sur l'essai Lefranc, très peu commode pour des mesures nombreuses, et entraînant un coût supérieur, alors que l'essai conforme à l'invention, n'exigeant pas d'avant-trou ou de forage. préalable, se continue aisément en prolongeant le fonçage. Le dispositif conforme à l'invention ne teste que de minces tranches de sol mais à des intervalles de profondeur très rapprochés. Le graphe obtenu donne donc une image détaillée de l'hétérogénéité du sol vis-à-vis de sa capacité d'absorption d'eau. Le dispositif et le procédé de l'invention sont surtout avantageux pour l'étude des sols intermédiaires entre les sols peu perméables (perméabilité inférieure à 10-6m/s) et des sols très perméables (perméabilité supérieure à 1O3m/s) ; il intéresse surtout les sols allant des sables fins ou légèrement limoneux aux graves plus ou moins sableuses. L'ensemble est adapté à des profondeurs d'investigation assez importantes (jusqu'à 20 à 30m). L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans l'étude de projets de génie civil tels que - les fondations sous nappe (fouilles, tunnels...), - les études de digue, - les projets de pompe à chaleur, puisards... - la détection des sous-pressions, - l'extension de gravières. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante d'un mode particulier de réalisation. Il sera fait référence aux figures annexées sur lesquelles la figure 1-montre schématiquement l'ensemble du dispositif de mesure, la figure 2 montre en détail un exemple de réalisation de la pointe-crépine, la la figure 3 est une comparaison entre une diagraphie conforme à l'invention et une diagraphie obtenue selon un autre procédé. Le dispositif de mesure comporte la pointe-crépine 1 au bout du tubage 2 enfoncé dans le sol 3 par battage à l'aide d'un marteau ou vibrations à l'aide d'une vibro-fonceuse agissant sur l'extrémité supérieure 4 non enterrée du tubage 2. Une conduite souple 5 de 20 à 40m de long est introduite dans le tubage 2 à son extrémité supérieure 4 pour alimenter la ponite-crépine en eau tout en pouvant suivre l'enfoncement progressif de celle-ci. La conduite souple 5 est elle-même reliée en amont à un réservoir 6 de mise en charge à niveau constant, via un ensemble 7 de réglage et de mesure et une autre conduite souple 11. Le réservoir 6 est alimenté à partir d'un bac 8, d'une pompe 9, et d'une conduite souple 10. L'ensemble 7 comporte d'une part deux débitmètres, l'un pour les petits débits (typiquement de O à une vingtaine de litres par minute) et l'autre pour les gros débits (jusqu'à 751/min) d'autre part un équipement pour le prélèvement automatique d'informations selon un rythme préétabli, et pour le traitement automatique de ces informations ou pour le transfert de celles-ci vers un poste de calcul plus élaboré. L'ensemble 7 comporte aussi une vanne 12 et un manomètre 13 permettant d'utiliser le dispositif pour la mesure de la pression interstitielle, dans des couches sous-jacentes à des couches imperméables. La pointe-crépine 1 est formée d'un tube creux 24 comportant la pointe 20, en amont de laquelle vient la crépine à proprement parler, puis la zone d'étanchéité 22 à surdiamètre. La pointe cylindrique, d'environ 22 cm pour un diamètre général de 45 mm, comporte un embout 23 d'une dizaine de centimètres, à pointe conique, vissé à l'extrémité inférieure du tube 24 dont les divers épaulements délimitent les zones d'injection et d'étanchéité. L'extrémité supérieure du tube 24 comporte un filetage 25 lui permettant d'être vissé au bas du tubage 2 (dont le diamètre extérieur est 63mm). Le diamètre intérieur du tube 24 est sensiblement constant (30 mm), et l'embout pointu 23 comporte une cavité borgne 26 de même diamètre dans le prolongement du passage intérieur 27 du tube 24. Cette cavité 26 permet de recueillir, le cas échéant, les particules solides qui se seraient introduites dans la crépine. Le passage intérieur 27 du tube 24 est relié de manière étanche à la partie inférieure de la conduite souple 5 (tuyau souple de 26 mm de diamètre extérieur). Le dispositif de fixation amovible et d'étanchéité comporte un joint annulaire écrasable d'étanchéité 28 portant sur un épaulement intérieur du passage 27. Ce joint est écrasé, avec interposition d'une rondelle 29, par le serrage d'un écrou 30 vissé dans le passage 27, de sorte que le joint 28 enserre de façon étanche l'extrémité inférieure de la conduite souple 5. La crépine 21 comporte entre deux sections extrêmes ou manchons 35,36 de 52 mm de diamètre (D) au niveau de leur raccordement, une zone cylindrique ou quasi-cylindrique 31, d'une quarantaine de mm de diamètre, et de 50mm de longueur (10). Cette zone 31 est percée de douze rangées verticales 32 de 4 trous de 4mm de diamètre. La zone cylindrique 31 se raccorde en aval par un épaulement conique 33 à la section 35 et en amont par des raccordements progressifs tronconiques 34 à la section 36. La section 35 d'une quinzaine de centimètres est légèrement tronconique, se rétrécissant en aval jusqu'à 50mm de diamètre, pour se raccorder par un épaulement tronconique 38 à la partie cylindrique de la pointe 20. La section 36, également d'une quinzaine de centimètres et légérement tronconique, s'évase en amont jusqu'à un diamètre de 55mm, au niveau de son raccordement avec la zone 22 de surdiamètre. Cette zone 22 comporte un premier épaulement tronconique 39 de lOmm amenant le diamètre extérieur à 60mm, suivi d'une première section 40 de 70mm s'élargissant jusqu'à 63 mm ; un second épaulement 41 sépare la première section 40 d'une seconde section cylindrique de 70mm de long et 70 de diamètre. Une utilisation avantageuse de la pointe-crépine 1 se fait selon le procédé suivant. Tout d'abord un étalonnage préalable de l'appareillage permet de déterminer la perte de charge introduite par la conduite souple 5 ;cette perte de charge est relativement élevée en raison du diamètre relativement réduit de la conduite, afin que la charge effective sur la crépine reste faible pour les sols relativement perméables, de sorte que l'écoulement reste laminaire. Cette étalonnage préalable permet donc de connaître avec précision, pour chaque mesure, la charge corrigée H sur la crépine, tandis qu'on mesure également le débit Q, et la profondeur Z d'enfoncement, de la crépine. Quand on opère par paliers les mesures sont commencées dès le positionnement au nouveau palier de profondeur, sans attendre en général la stabilisation complète du débit. On mesure le débit moyen sur un bref laps de temps l'appareil fait une mesure toutes les secondes, mais n'affiche que la moyenne sur la durée choisie de l'essai, en général lOs.Des essais avec stabilisation complète sont également possibles. On a porté à droite du premier graphe des résultats d'enregistrement de rayons gamma pour le même forage, montrant qu'ils sont plus difficiles à interpréter. Des comparaisons entre l'essai conforme à l'invention et d'autres essais d'eau sont également possibles et confirment la facilité d'interprétation des renseignements conformes à l'invention. REVENDICATIONS 1. Pointe-crépine pour la réalisation d'essais d'eau par injection dans le sol, caractérisée en ce qu'elle est constituée d'un tube (24,23) comportant une crépine centrale (21) définie par deux sections extrêmes (35,36) de diamètre sensiblement identique entre lesquelles est interposée une section cylindrique (31) de diamètre restreint percée de trous d'injection an aval de la crépine (21), une pointe cylindrique de fonçage (23) terminée coniquement, de diamètre inférieur à celui des sections extrêmes (35,36) an amont de la crépine (21), une zone d'étanchéité (22) comportant au moins un surdiamètre supérieur au diamètre des sections extrémes (35,36). 2. Pointe-crépine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la pointe de fonçage (23) comporte un embout amovible. 3. Pointe-crépine selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'embout amovible comporte une cavité borgne (26) communiquant avec l'intérieur de la crépine (21). 4. Pointe-crépine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le tube (24,23) comporte à sa partie supérieure des moyens d'assujettissement (25) au bas d'un tubage (2). 5. Pointe-crépine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le tube (24,23) comporte un passage intérieur (27) muni à se partie supérieure de moyens de raccordement étanche (28,29,30) avec une conduite (5) d'amenée d'eau d'injection. 6. Pointe-crépine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que le rapport entre la hauteur (L) section cylindrique (31) et le diamètre (D) des sections extrêmes (35,36) de la crépine est compris entre 0,5 et 2 et de préférence voisin de 1. 7. Pointe-crépine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le volume des zones à surdiamètres (39-42) de la zone d'étanchéité (22) est voisin du double du volume de la pointe (20). 8. Dispositif pour la réalisation d'essais d'eau par injection dans le sol, caractérisé en ce qu'il comprend la pointecrépine (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, assujettie au bas d'un tubage (2), le passage intérieur (27) de la pointe-crépine étant relié par une conduite souple (5) à des moyens de mise en charge (6) via un ensemble de réglage et de mesure (7). 9. Procédé de réalisation d'essais d'eau par injection dans le sol, mettant en oeuvre l'appareillage de la revendication 8, caractérisé en ce qu'on effectue les mesures au cours du fonçage de la pointe-crépine (1), par paliers ou en continu.