Brevet FR2650011A1 — publié le 19910125

-1- Pénétrgomtre de précision utilisable lors d'opérations de sondage et procédé pour la libération d'un tel pÉnétromètre blocué lors de ces opératione La preésente invention concerne un pénétromètre de précision constitué essentiellement d'un élément de pointe, d'un manchon entourant au moins partiellement l'élément de pointe, et d'un ou plusieurs fûts pour la pénétration du pénétromètre dans le sol, et un procédé pour la libération d'un pénétramdtre qui est au moins partiellement bloqué et pour la poursuite du sondage avec le pénétromètre. On connaît des pénétrométres pour la recherche de l'état et de la qualité d'un sol ou d'un terrain, en particulier en ce qui concerne la densité, la compaOité, la résistance et la dureté, etc. La recherche de la qualité d'un sol ou d'un terrain est en particulier d'une grande importance pour la construction des bâtiments, comme des ponts, des immeubles, etc., pour par exemple déterminer la dimension et la profondeur d'une fondation. Une sonde de pénétration centrale est enfoncée par un ou, selon la profondeur du sondage, par plusieurs fûts ou tiges de pénétration. En mesurant la contre-pression sur la sonde centrale, on peut conclure en la qualité du terrain. A cette recherche, trois facteurs doivent être considérés en particulier: la qualité du terrain autour de la pointe de la sonde, qui est représentée par la contre-pression contre le front de la sonde centrale, le frottement latéral au niveau de la partie directement au-dessus de la sonde centrale, qui est influencé essentiellement par les matériaux déplacés par la sonde centrale durant la pénétration, et le frottement latéral le long des fQts ou des tiges de pénétration. D'après le brevet suisse n 466 154, on connaît un pénétromètre avec lequel il est possible de mesurer les trois facteurs mentionnés et par conséquent de déterminer en particulier la contre-pression sur la sonde centrale. Quand par exemple le terrain est hétérogène et contient par exemple des zones ayant une très grande résistance ou une très grande dureté, comme par exemple quand la terre est argileuse, très compacte ou contient des pierres assez grosses, il est possible que la sonde ou le pénétromètre soit bloqué et ne puisse plus être enfoncé statiquement, c'est-à-dire par -2- une force de pression continue. En ce sens, le brevet suisse n' 466 154 décrit une sonde centrale comportant un élément central ayant un diamètre extérieur qui est inférieur au diamètre extérieur de la sonde et qui permet la poursuite du sondage dans la direction axiale après le blocage de la sonde. La haute pression sur la tige centrale doit être contrôlée, à cause du diamètre inférieur de cet élément central et pour éviter tout endommagement de la tige ou de l'élément central. De plus, il n'est pas possible de différencier la mesure de la contre- pression sur l'élément central et la mesure du frottement latéral sur la tige centrale. Finalement, la pénétration additionnelle de la sonde centrale est limitée par la longueur de la tige centrale. Une autre possibilité pour continuer la pénétration après un blocage de la sonde est d'utiliser un mouton battant ou mouton-presse pour une pénétration par chocs. A la différence de la pénétration statique, qui est assurée par une force de pression continue, on désigne la pénétration par chocs par pénétration "dynamique". La pénétration dynamique a des inconvénients importants car, d'une part, la mesure de la contre-pression n'est pas exacte et d'autre part, la mesure ne peut pas être exécutée pendant le travail du mouton- presse. Les systèmes de mesure sont en effet très sensibles et seraient endommagés pendant le travail d'un mouton-presse, s'ils étaient toujours connectés au pénétromètre. Il faut donc interrompre la pénétration par chocs pour exécuter la mesure de la contre-pression qui, & cause du blocage, n'est pas très précise. Comme résultat, il est un but de la présente invention de créer un pénétromètre avec lequel il est possible de continuer la pénétration statique lors du blocage de la sonde et de continuer l'étude du terrain à une profondeur plus grande et, en plus, de garantir la précision de la mesure même en utilisant un élément central de la sonde. Ce but est réalisé par un pénétromètre du type précité qui se caractérise par un système d'injection de liquide sous pression dans la région de l'élément de pointe ou du manchon, qui comporte au moins une ou plusieurs ouvertures ou des cannelures pour le passage et l'éjection du liquide dans l'espace annulaire de la pointe du pénétromètre. 26500 1 1 -3- Selon d'autres caractéristiques préférées de l'invention: - l'élément de pointe consiste en une sonde centrale composée d'une tige centrale, d'une enveloppe de pointe qui entoure coaxialement au moins partiellement l'élé61ment de pointe et la tige centrale et qui est montée coaxialement entre l'élément de pointe et le manchon, les ouvertures ou les cannelures étant disposées radialement à la jonction entre l'enveloppe de pointe et le manchon; - les ouvertures sont disposées radialement dans l'enveloppe de pointe et communiquent avec au moins un passage d'adduction pour le liquide, disposé au centre des tubes ou coaxialement autour de la tige centrale, par des troue et cannelures ménagés dans l'enveloppe de pointe; - le systime d'injection de liquide sous pression ou les passages d'adduction pour le liquide communiquent avec au moins un cylindre de pression contenant le liquide et dans lequel une très haute pression est , créée par un piston de pression pour la réalisation de l'injection du liquide & travers les ouvertures et les cannelures; et - les ouvertures ou les cannelures sont de section calculée. En cas de blocage définitif du pénétromètre, méme en utilisant le système d'injection de liquide, ou quand l'injection de liquide n'est pas désirée, l'invention propose, pour une possible poursuite du sondage statique, l'usage d'un fût flottant de sonde centrale, qui entoure coaxialement au moins partiellement la sonde centrale et/ou la tige centrale et qui est axialement coulissant de manière indépendante relativement au manchon et & la sonde centrale et/ou la tige centrale. Apres le blocage du pénétromètre, il est possible ainsi de continuer le sondage statique par la pénétration de la tige centrale entourée par le fût flottant de sonde centrale, la sonde centrale permettant les mesures séparées de la contre-pression sur la sonde centrale et le frottement latéral sur le fût flottant. Selon une variante de réalisation, le fût flottant de sonde centrale est monté coaxialement entre la sonde centrale et/ou la tige centrale et l'enveloppe de pointe, le fût de sonde centrale étant axialement coulissant de manière indépendante relativement & l'enveloppe de pointe. De préférence, le diamètre du fût flottant de sonde centrale est essentiellement égal au diamètre extérieur de la sonde centrale. 26500 11 En cas de blocage de la sonde centrale (principale), la sonde centrale peut contenir un élément de pointe central formé par une barre à mine cylindrique, terminé par un cône de pointe permettant la poursuite du sondage. Le procédé selon l'invention pour la libération d'un pénétromètre qui est au moins partiellement bloqué et pour la poursuite du sondage avec le pénétromètre est caractérisé en ce qu'un liquide est injecté sous très haute pression à travers des ouvertures et des cannelures, à la hauteur de la pointe du pénétromètre, dans l'espace- annulaire de la pointe pour ainsi libérer l'élément de pointe du pénétromètre, au moins partiellement de la contre-pression du terrain. Selon des dispositions particulières préférées: - l'injection du liquide est interrompue après le blocage du pénétromètre, - l'injection du liquide est effectuée en continu pendant la pénétration du pénétromètre dans le sol, - quand la pénétration du pénétromètre n'est plus possible par l'injection du liquide sous haute pression, le sondage est continué par la pénétration d'un fût de sonde centrale ayant un diamètre inférieur au diamètre de l'enveloppe de pointe ou du manchon, contenant au moins la sonde centrale, l'exécution des mesures pendant la poursuite du sondage étant effectuée par la mesure de la contre-pression sur la sonde centrale et par la mesure indépendante du frottement latéral sur le fût de sonde centrale, et - le sondage est poursuivi, après le blocage de la sonde centrale, par la sonde centrale ou un élément central de la sonde ayant un diamètre extérieur qui est inférieur au diamètre extérieur de la sonde ou le fût de sonde centrale. L'invention sera décrite ci-après en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 représente une sonde lanceuse ou pénétromètre en coupe longitudinale, contenant un système d'injection de liquide, - la figure 2 est une vue en coupe horizontale de la sonde lanceuse selon la figure 1, -5- -la figure 3 est une vue schématique illustrant le fonctionnement du système d'injection du liquide, - la figure 4 est une sonde lanceuse ou un pénétromètre comportant une sonde centrale, une tige centrale et un fût flottant de sonde centrale en position rétractée. - la figure 5 représente la sonde lanceuse selon la figure 4, le fût flottant de sonde centrale étant en-position avancée, et - la figure 6 représente la sonde centrale selon la figure 5, la tige central. et la sonde centrale étant en position avancée hors du fût flottant de sonde centrale. La figure 1 montre une sonde lanceuse en coupe longitudinale qui est prévue & la pointe d'un pénétrométre pour la pénétration dans le sol ou dans un terrain. La sonde lanceuse contient & sa pointe une sonde centrale 1 qui est assemblée au moyen d'une goupille de retenue 5 avec une tige centrale 3. La sonde 1 et la tige 3 sont au moins partiellement entourées par une enveloppe de pointe 7 et un machon 9. Le manchon 9 est situé dans le prolongement de plusieurs fûts 17 qui sont ajoutés & la surface du terrain lors de la pénétration de la sonde dans le sol en fonction de la profondeur de pénétration de la sonde dans le sol. A l'intérieur des fûts 17 de la sonde lanceuse et entre la tige centrale 3 et l'enveloppe de pointe 7 des passages d'adduction 13 sont prévus pour le transport d'un liquide de la surface de terrain & la pointe de la sonde lanceuse. De préférence, ce liquide est de l'eau qui est envoyée d'un réservoir (figure 3) par des moyens de pression à travers des passages d'adduction 13. En plus, ce liquide, qui est de préférence de l'eau, passe à travers l'enveloppe de pointe 7 par des orifices et des trous ou cannulures 11 pour être projeté ou éjecté par des ouvertures annulaires 15 dans l'espace annulaire de la pointe du pénétrométre. La figure 2 est une vue en coupe horizontale de la sonde lanceuse visible sur la figure 1. La tige centrale 3, visible au centre, est entourée du passage d'adduction 13 pour le liquide qui est transporté du réservoir & liquide à la pointe de la sonde lanceuse. Pour le transport de l'eau hors des passages d'adduction 13 à travers l'enveloppe de pointe 7, des orifices et des trous de passage 11 du liquide sont prévus pour -6transférer le liquide aux ouvertures annulaires (non visible dans la figure 2). Le mode de fonctionnement du systeème d'injection du liquide de la sonde centrale, représenté sur les figures 1 et 2, est décrit en référence à la figure 3 qui montre schématiquement un système d'injection de liquide. Tout d'abord, la sonde et le pénétromêtre sont enfoncés dans le sol par pénétration statique pendant que la contre-pression contre le front de la sonde centrale 1 et le frottement latéral sur le manchon 9 sont mesurés. L'exécution de la pénétration statique est connue et décrite, par exemple dans le brevet suisse n 466 154. Sur la figure 3, une charpente 18 et un mouton de presse 20 sont représentés symboliquement pour le système de pénétration du pénétromètre. Une telle charpente peut être fixée stationnairement sur la surface du terrain ou de préférence sur un camion pour un déplacement mobile. Quand la contre-pression contre le front de la sonde centrale 1 est telle qu'une pénétration statique, c'est-à-dire une pénétration sous l'action d'une force de pression continue, n'est plus possible, il serait nécessaire en principe de continuer le sondage par pénétration dynamique, c'est-à-dire avec un mouton battant pour une pénétration par chocs. Comme déjà décrit ci-dessus, cette pénétration par chocs a certains inconvénienrs et il est donc préférable que la pénétration statique puisse être continuée. A ce moment-là, de l'eau est injectée d'un cylindre 10 par les passages d'adduction 13 du liquide et par les ouvertures annulaires 15 dans l'espace annulaire de la pointe 1 du pénétromètre. Le liquide, qui est de préférence de l'eau est tout d'abord envoyé d'un réservoir 8 dans le cylindre 10 par aspiration d'un piston 12 déplacé par un mouton 14, et y est retenu grâce à une valve non retour 16. Pour l'injection du liquide dans l'espace annulaire de la pointe, le mouton 14 exerce une pression sur le piston 12 par l'intermédiaire de la tige 14'. Le liquide est chassé dans l'espace annulaire de la sonde du pénétromètre prévu à cet effet et éjecté sous très haute pression à travers l'espace annulaire à la pointe de la sonde lanceuse par des cannelures ou ouvertures 15 de section calculée. La pointe 1 de la sonde sera libérée ainsi au moins partiellement de la contre-pression du terrain. Les fines ou des galets du terrain ou autres matériaux seront dégagés, ce qui permettra dans beaucoup de cas la poursuite statique du sondage. Les figures 4 & 6 représentent un pénétromètre avec sonde lanceuse qui, comparé I la sonde lanceuse des figures 1 et 2, contient en outre un fût flottant 21 de sonde centrale, qui est monté coaxialement entre la sonde centrale 1 et/ou la tige centrale 3 et l'enveloppe de pointe 7. Ce fût flottant 21 de sonde centrale est axialement coulissant, de manière indépendante par rapport à l'enveloppe de pointe 7. Sur la figure 6, le fat flottant 21 de sonde centrale est représenté dans une position rétractée dans la sonde centrale. Les parties de la sonde centrale, représentées sur la figure 4 et qui sont similaires ou identiques à celles de la sonde lanceuse de la figure 1 ou 2, sont désignées par les m s références. En cas de blocage de la sonde centrale 1, mêm en utilisant le système d'injection du liquide dans l'espace annulaire de la pointe de la sonde centrale 1, il est possible de poursuivre la pénétration statique en utilisant seulement une partie centrale de la sonde lanceuse qui est constituée par la sonde centrale 1, la tiqe'centrale 3 et, en plus, le fût flottant 21 de sonde centrale. En général, la pénétration statique avec la partie centrale mentionnée de la sonde lanceuse est possible parce que le diamètre de cette partie centrale est substantiellement plus petit que le diamètre total de la sonde lanceuse. Pour donner une idée de l'ordre de grandeur, la surface en coupe transversale d'une sonde lanceuse est d'environ 50 cm2 avec une charge d'environ 15 tonnes. La surface en coupe transversale de la partie centrale de la sonde est d'environ 20 cm2 et la charge sur cette surface diminuée reste la m, c'est-à-dire est de nouveau d'environ 15 tonnes. De nouveau, il est possible de mesurer la contre-pression contre le front de la sonde centrale 1 et le frottement latéral séparément, parce que le fût flottant 21 de sonde centrale est aussi axialement coulissant de manière indépendante par rapport & la tige de la sonde centrale 3. Sur la figure 5, le fût flottant 21 de sonde centrale est représenté dans la position avancée. En cas d'un nouveau blocage de la pointe 1 de la sonde centrale, il est même possible de poursuivre la pénétration statique par l'avancement uniquement de la sonde centrale 1 avec la tige centrale 3. Cela est toujours le cas quand une continuation de la -8- pénétration statique de la partie centrale n'est plus possible, parce que le frottement latéral sur le fût flottant 21 empêche de continuer la pénétration du fût flottant. L'avancement uniquement de la sonde centrale 1 avec la tige centrale 3 est représenté sur la figure 6. En cas d'un nouveau blocage de la sonde centrale 1 à cause d'une contre-pression qui ne permet plus une pénétration statique, il n'y a que la possibilité de pénétration dynamique qui est exécutée, par exemple par un mouton battant. A la fin de la pénétration, la tige centrale 3 sera retirée en cassant la goupille de retenue 5. Les exemples et les modes d'exécution d'une sonde lanceuse d'un pénétromètre qui sont représentés sur les figures 1 à 6 sont seulement des exemples qui peuvent être modifiés ou changés d'une manière quelconque. Les seules choses qui sont importantes sont d'une part que la sonde lanceuse contient un système de projection de liquide avec lequel il est possible de projeter un liquide sous haute pression dans l'espace annulaire de la pointe du pénétromètre, et qu'en plus dans une autre variante d'exécution, la sonde lanceuse contient un fût flottant de sonde lanceuse pour la continuation de la pénétration statique d'une partie centrale de la sonde lanceuse. -9- REVENDZICATIONS 1. Pénétromètre de précision constitué essentiellement d'un élément de pointe, d'un manchon entourant au moins partiellement l'élément de pointe et d'un ou plusieurs fûts pour la pénétration du pénétromètre dans le sol, caractérisé par un système d'injection de liquide sous pression dans la région de l'élément de pointe (1) ou du manchon (9), qui comporte au moins une ou plusieurs ouvertures (15) ou des cannelures pour le passage et l'éjection du liquide dans l'espace annulaire de la pointe du pénétromètre. 2. Pénétromêtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de pointe (1) consiste en une sonde centrale composée d'une tige centrale (3), d'une enveloppe de pointe (7) qui entoure coaxialement au moins partiellement l'élement de pointe (1) et la tige centrale (3) et qui est montée coaxialement entre l'élément de pointe et le manchon (9), et en ce que les ouvertures (15) ou les cannelures sont disposées radialement à la jonction entre l'enveloppe de pointe (7) et le manchon (9). 3. Pénétromêtre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les ouvertures sont disposées radialement dans l'enveloppe de pointe et communiquent avec au moins un passage d'adduction (13) pour le liquide, disposé au centre des tubes ou coaxialement autour de la tige centrale (3) , par des trous et cannelures (11) ménagés dans l'enveloppe de pointe (7). 4. Pénétr mtre selon l'une quelconque des revendications i à 3, caractérisé en ce que le système d'injection de liquide sous pression ou les passages d'adduction (13) pour le liquide communiquent avec au moins un cylindre de pression (10) contenant le liquide et dans lequel une très haute pression est créée par un piston de pression (12) pour la réalisation de l'injection du liquide à travers les ouvertures et les cannelures (15). 5. Pénétromâtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractéris6 en ce que les ouvertures ou les cannelures sont de section calculée. 6. Pénétro mtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par un f t flottant (21) de sonde centrale, qui entoure -10coaxialement au moins partiellement la sonde centrale (1) et/ou la tige centrale (3) et qui est axialement coulissant de manière indépendante relativement au manchon (9) et à la sonde centrale et/ou la tige centrale. 7. Pénétromètre selon l'une quelconque des revendications 1 & 6, caractérisé en ce que le fût flottant (21) de sonde centrale est monté coaxialement entre la sonde centrale et/ou la tige centrale et l'enveloppe de pointe et en ce que le fût de sonde centrale est axialement coulissant de manière indépendante relativement à l'enveloppe de pointe. 8. Pénétromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le diamètre du fût flottant de sonde centrale est essentiellement égal au diamètre extérieur de la sonde centrale. 9. Pénétromètre selon l'une quelconque des revendications 1 & 8, caractérisé en ce que la sonde centrale contient un élément de pointe central formé par une barre à mine cylindrique, terminé par un cône de pointe permettant la poursuite du sondage après le blocage de la sonde principale. 10. Procédé pour la libération d'un pénétromètre qui est au moins partiellement bloqué et pour la poursuite du sondage avec le pénétromètre, caractérisé en ce qu'un liquide est injecté sous très haute pression à travers des ouvertures et des cannelures, à la hauteur de la pointe du pénétromètre, dans l'espace annulaire de la pointe pour ainsi libérer l'élément de pointe du pénétromètre, au moins partiellement de la contre-pression du terrain. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'injection du liquide est interrompue après le blocage du pénétromètre. 12. Procédé selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'injection du liquide est effectuée en continu pendant la pénétration du pénétromètre dans le sol. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que quand la pénétration du pénétromètre n'est plus possible par l'injection du liquide sous haute pression, le sondage est continué par la pénétration d'un fût de sonde centrale ayant un diamètre inférieur au diamètre de l'enveloppe de pointe ou du manchon, contenant 11- au moine la sonde centrale, et en ce que l'exécution des mesures pendant la poursuite du sondage est effectuée par la mesure de la contre- preession sur la sonde centrale et par la mesure indépendante du frottement latéral sur le fût de sonde centrale. 14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que le sondage est poursuivi, après le blocage de la sonde centrale, par la sonde centrale ou un élément central de la sonde ayant un diamètre extérieur qui est inférieur au diamètre extérieur de la sonde ou le fût de sonde centrale.