Brevet FR2663121A1 — publié le 19911213

L'invention se rapporte à une cellule triaxiale polyvalente d'essais de geomateriaux, d'échantillons de roches, de sols ou des matériaux fabriques sur les sites de prélèvement dans des conditions d'essais équivalentes à celles des laboratoires. Ces échantillons de forme cylindrique peuvent être soumis à différentes conditions de pression, de chargement, de température et de drainage, ces paramètres pouvant être contrôlés à l'aide de capteur de pression, de temperature, de deplacements internes ou externes et de jauges de contraintes. Les contraintes de pression peuvent être axiales et/ou sur la face latérale de l'échantillon. A cet effet, on connait une cellule triaxiale (US-A-3.975.950, JP-A-5871432) comprenant un plateau inférieur et un plateau supérieur entre lesquels trouve place l'échantillon, le plateau inferieur étant disposé sur une embase et au dessus du plateau superieur étant appliqué un piston dont la tige reçoit la poussée nécessaire à la contrainte verticale. La cellule comprend un corps presentant intérieurement une cavité qui réserve entre sa paroi latérale et celle de l'échantillon une chambre périphérique reliée à un circuit de mise en pression et de vidange contrôlée de la dite chambre. Afin de protéger l'échantillon du fluide pouvant ainsi être introduit dans la chambre, cet échantillon (JP-A-5871432) peut être logé dans une membrane souple et élastique épousant sa surface latérale. L'une de ces pièces que sont le piston et sa tige est guidee en translation dans un alésage de la paroi superieure du corps, laquelle paroi peut faire partie integrante du corps ou se présenter sous la forme d'un couvercle rapporté et fixe de manière démontable par exemple à l'aide de tirants. Pour exercer sur l'extrémité externe de la tige du piston, la force nécessaire à la contrainte axiale, il est habituel de placer cette cellule dans une machine d'essai agissant comme une presse. Généralement, une telle machine d'essai est installée à poste fixe dans un laboratoire et de ce fait, l'étude de matériaux ne peut être réalisée directement sur le chantier. I1 faut recourir au transport des échantillons prélevés, ce qui demande des délais qui peuvent nuire à la prise d'une decision rapide telle la poursuite ou l'arrêt de l'échantillonnage sur une zone de recherche. Afin de rendre autonome une telle cellule, on connaît (Brown S.F Austin G and Overy, R.F "an instrumented triaxial cell for cyclic loading of clays" geotechnical testing journal GTJODJ vol 3, N" 4 dec 1980 pp 145-152) une cellule pourvue d'un module, généralement démontable, qui vient coiffer le corps et une portion externe au corps de la tige du piston et qui présente une cavité dans laquelle se deplace un piston auxiliaire. Dans cette réalisation, le piston auxiliaire est pourvu d'un alésage central par lequel il se centre sur la tige du piston principal et ce piston auxiliaire est, par des moyens de verrouillage, lié en translation à cette tige du piston principal. Le piston auxiliaire délimite dans la cavite du module, deux chambres dont celle opposee au piston principal dite chambre arrière est, par un orifice, reliee à un circuit par lequel un fluide sous pression peut être alternativement introduit et extrait de la dite chambre arrière. Des organes d'étanchéité, tels un joint à soufflet, contribuent à l'isolation l'une de l'autre des deux chambres de la cavité du module dit d'autonomie. Sous l'effet de la poussée que le- fluide exerce sur sa face arrière, le piston auxiliaire se déplace en direction de l'échantillon et par son déplacement provoque celui du piston principal et du plateau supérieur vers le plateau inférieur. Pour la remontée du piston principal, on crée par le même orifice et donc dans la même chambre arrière une pression ce qui toutefois limite la force disponible. Avec un tel module d'autonomie, la commande directe du piston principal reste possible. A cet effet, la tige du piston principal se prolonge suffisamment pour traverser le piston auxiliaire puis la paroi supérieure du module et dépasser du module de manière à pouvoir être associée à un verin à double effet d'une machine à poste fixe. Si l'utilisation d'un tel module donne une certaine autonomie à la cellule, le fait que, pour permettre une commande directe, la tige du piston principal doive se prolonger fortement augmente l'encombrement de la cellule et expose cette tige à un flambage notamment lors d'essais sans le module notamment à haute pression. Par ailleurs, outre les moyens de fixation du module sur le corps, il est nécessaire de prevoir des moyens de verrouillage du piston auxiliaire sur la tige du piston principal qui puissent resister à des efforts importants notamment pendant la sollicitation du piston principal dans le sens de la descente. Si, de manière autonome ou avec une machine à poste fixe, cette cellule permet de realiser des essais statiques de compression axiale des échantillons, elle ne permet d'effectuer la plupart des essais cycliques comportant une phase de mise en pression de durée variable et une phase de décompression ayant son propre gradiant de variation qu'avec une machine fixe et on retrouve alors les inconvenients evoqués précédemment et lies à l'absence de prise de decision rapide. Un des résultats que l'invention vise à obtenir est une cellule qui, tout en étant utilisable avec une presse à poste fixe puisse aussi être totalement autonome et ce même pour des essais cycliques. Un des autres résultats de l'invention est une telle cellule dont, lors de l'utilisation avec une presse à poste fixe, même sans module, la tige du vérin principal n'est pas soumise à un flambage. A cet effet, l'invention a pour objet une cellule du type précité notamment caractérisée en ce que le piston principal présente une collerette qui s'ajuste dans un alésage prévu dans la paroi superieure du corps pour y délimiter deux chambres annulaires de volumes complémentaires et dans l'une desquelles chambres à savoir celle dite chambre inférieure et qui, par rapport à la collerette, se situe du même côté que l'échantillon, débouche un canal au travers duquel un fluide peut être introduit pour exercer sur celle des surfaces radiales de la collerette qui est tournée vers la chambre considerée une force qui, dirigee suivant l'axe longitudinal du piston, tend à déplacer le piston vers l'extérieur de la chambre d'essai et donc à décharger l'échantillon. L'invention sera bien comprise à l'aide de la description ci-aprés faite à titre d'exemple non limitatif en regard du dessin ci-annexé qui represente schématiquement une cellule tri axiale vue en coupe. En se reportant au dessin, on voit que la cellule tri axiale 1, d'essai de chaque échantillon 2 de matériau, comprend tout d'abord deux plateaux 3, 4 disposes en vis à vis l'un au dessus de l'autre pour permettre, par leur rapprochement, de soumettre l'échantillon 2 à une contrainte de compression axiale. Le plateau inférieur 3 est disposé sur une embase 5 tandis qu'au dessus du plateau supérieur 4 est appliqué un piston 6 dont l'extrémité reçoit directement ou via une tige 7 qui en est solidaire la poussée necessaire à la contrainte axiale. La cellule 1 comprend un corps 8 présentant intérieurement une cavité 9 qui réserve entre sa paroi latérale 10 et celle 11 de l'échantillon 2 une chambre périphérique 12 reliée à un circuit 13 de mise en pression et de vidange contrôlée de la dite chambre 12. Afin de proteger l'échantillon du fluide ainsi introduit dans la chambre 12, cet échantillon peut être loge dans une membrane 14, souple et élastique, épousant sa surface latérale 11. L'une de ces pièces que sont le piston 6 et son éventuelle tige 7 est guide en translation dans un alesage 15 de la paroi supérieure 16 du corps 8, laquelle paroi 16 peut faire partie intégrante du corps 8 ou se presenter sous la forme d'un couvercle rapporté et fixé de manière démontable par exemple à l'aide de tirants 17. Cet echantillon 2 peut alors être soumis - d'une part, à une contrainte axiale exercée par le piston 6 qui, via le plateau supérieur 4 s'applique sur l'échantillon 2 et - d'autre part, à une contrainte radiale exercée par le fluide introduit dans la chambre et qui exerce sa poussee sur l'échantillon au travers de la membrane 14 entourant le dit échantillon 2. De préférence, les plateaux inférieur 3 et supérieur 4 comportent des moyens 18, 19 alternativement de drainage ou d'introduction d'un fluide dans l'échantillon à analyser. Afin de rendre autonome une telle cellule, un module 20, de préférence démontable, vient coiffer le corps 8 et une portion externe au corps 8 du piston 6 ou de 1 a tige 7 qui en est solidaire et presente une cavité 21 dans laquelle se déplace un piston auxiliaire 22. Le piston auxiliaire 22 est associe en translation à la tige 7 du piston principal 6. Le piston auxiliaire 22 délimite dans la cavité 21 du module, deux chambres 23, 24 dont celle (24) qui, par rapport au piston auxiliaire est située à l'opposé du piston principal 6 et qui est dite chambre arrière 24, est, par un orifice 25, reliée à un circuit 26 par lequel un fluide sous pression peut être alternativement introduit et extrait de la dite chambre arrière 24. Des organes d'étanchéité 27, tels des joints, contribuent à l'isolation des deux chambres 23, 24 de la cavité 21 du module 20 d'autonomie l'une de l'autre et vis vis de l'extérieur de ces chambres. Sous l'effet de la poussee que le fluide exerce sur le piston auxiliaire, celui-ci se déplace en direction de l'échantillon et par son déplacement provoque celui du piston principal et du plateau supérieur vers le plateau inférieur. Des capteurs (non representés) notamment de température, de déplacement et de pression ainsi que des jauges de contrainte permettent de déterminer les variations que subit l'échantillon. Par exemple, un capteur placé dans le plateau inferieure 3 permet la mesure directe de la force axiale. Selon une caractéristique de l'invention, le piston principal 6 presente une collerette 28 qui s'ajuste dans un alésage 29 prévu dans la paroi supérieure 16 du corps 8 pour y délimiter deux chambres annulaires 30, 31 de volumes complémentaires et dans l'une 30 desquelles chambres à savoir celle dite chambre inférieure et qui, par rapport à la collerette, se situe du même côté que l'échantillon, débouche un canal 32 au travers duquel un fluide peut être introduit pour exercer sur celle des surfaces radiales 33, 34 de la collerette qui est tournée vers la chambre 30 considérée une force qui, dirigée suivant l'axe longitudinal du piston, tend à déplacer le piston vers l'extérieur de la chambre d'essai et donc à décharger l'échantillon. Le module d'autonomie 20 présente bien entendu des moyens 35, tels par exemple des vis de fixation au corps de cellules, suffisamment résistants aux efforts correspondants. Selon une autre caractéristique de l'invention, au moins celle (34) des surfaces radiales 33, 34 de la collerette 28 qui est à l'oppose de l'échantillon, est égale à la section du piston principal 6 et ce piston principal 6 est traversé par une conduite 36 de liaison entre la chambre annulaire 12 du corps et celle 31 des chambres délimitées par la collerette 28, qui est dite supérieure et qui, par rapport à la dite collerette 28, est située du côté opposé du corps, cette conduite de liaison 36 permettant de compenser les modifications de volume de la cavité du corps liées à la modification de la pénétration du piston principal dans le corps et par cela permet de ne pas tenir compte de modifications de volume de la chambre dans les calculs sur la base des informations reccueillies telles la pression dans le corps. De même, la surface de la face 33 de la collerette recevant la poussée dans le sens de la remontée du piston et la surface du piston auxiliaire 22 qui reçoit la poussée dans le sens de la descente du piston sont de préférence égales. Ceci évite, lors du déplacement du piston principal en direction de l'échantillon, d'avoir à compenser la poussée qu'exerce sur le piston le fluide contenu dans la chambre périphérique et limite donc la puissance pour la presse. Selon une autre caractéristique de l'invention, d'une part, la tige 7 du piston principal 6 ne dépasse de la paroi supérieure 16 du corps que d'une hauteur sensiblement égale à celle nécessaire pour pouvoir, en l'absence du module, recevoir la poussee d'un oraane extérieur sur toute la course utile du piston principal et, d'autre part, le piston auxiliaire 22 que loge le module d'autonomie 20 appuie directement ou par l'intermédiaire d'une tige 37, qui en est solidaire, par sa face extrême inférieure 38 sur la face extrême supérieure 39 du piston principal 6 ou de l'éventuelle tige qui en est solidaire. Au piston auxiliaire 22 est associée une tige supérieure 40 qui traverse la paroi supérieure 41 du module d'autonomie 20 et se prolonge sur une longueur sensiblement équivalente à celle nécessaire pour pouvoir communiquer directement à cette tige supérieure 40 la poussée necessaire pour assurer toute la course du piston auxiliaire 22. De ce fait, même avec le module d'autonomie 20, la cellule reste utilisable avec une presse à poste fixe. Afin de réduire l'encombrement du module d'autonomie 20, la longueur du piston auxiliaire 22 est réduite à celle d'une collerette et pour néanmoins garder un bon guidage et éviter le coincement du piston auxiliaire, sa tige inferieure 37 s'engage dans un alésage complémentaire 42 sur une longueur qui, par rapport à la section de cette tige est suffisante pour assurer un bon guidage de l'ensemble. Selon l'invention, outre le guidage du piston auxiliaire par la tige inférieure 37, le piston auxiliaire 22 s'ajuste par sa tige supérieure 40 dans un alésage 43 du couvercle du module. Selon l'invention, la fraction de la tige supérieure du piston auxiliaire porte un moyen de surveillance 44 en vue de contrôler au moins indirectement et visuellement le déplacement du piston. Dans une autre variante de realisation, au détriment de l'auto-compensation, le piston principal 6 soit ne comprend pas de conduite de liaison 36, soit a celle-ci qui est obture provisoirement, par contre, dans la chambre supérieure 31 de l'alésage 29 de la paroi superieure 16 du corps 8, débouche une conduite (non représentée) reliee au circuit 26 de commande de la descente du piston 6. Un orifice 45 amenagé dans le corps de la cellule permet d'alimenter électriquement une résistance chauffante (non représentée) placée dans la cavité entourant l'échantillon. Cette cellule peut bien évidemment être utilisée sans introduction de fluide dans la chambre périphérique 12, des aménagements dans le corps de la cellule pouvant être prévus pour une mise en place rapide, sans démontage, des échantillons. REVENDICATIONS 1. Cellule triaxiale polyvalente d'essais de géomatériaux, d'échantillons de roches, de sols ou des matériaux fabriqués sur les sites de prélèvement dans des conditions d'essais équivalentes à celles des laboratoires, laquelle cellule comprend tout d'abord deux plateaux (3, 4) disposes en vis à vis l'un au dessus de l'autre pour permettre, par leur rapprochement, de soumettre l'échantillon (2) à une contrainte de compression axiale, le plateau inferieur (3) est disposé sur une embase (5) tandis qu'au dessus du plateau supérieur (4) est appliqué un piston (6) dont l'extrémité reçoit directement ou via une tige (7) qui en est solidaire la poussée nécessaire à la contrainte axiale, laquelle cellule (1) comprend un corps (8) presentant intérieurement une cavite (9) qui reserve entre sa paroi latérale (10) et celle (11) de l'échantillon (2) une chambre périphérique (12) reliée à un circuit (13) de mise en pression et de vidange contrôlée de la dite chambre (12), afin de protéger l'échantillon du fluide ainsi introduit dans la chambre (12), cet échantillon peut être logé dans une membrane (14), souple et élastique, épousant sa surface latérale (11), l'une de ces pièces que sont le piston (6) et son éventuelle tige (7) est guidée en translation dans un alesage (15) de la paroi supérieure (16) du corps (8), laquelle paroi (16) peut faire partie intégrante du corps (8) ou se presenter sous la forme d'un couvercle rapporté et fixé de manière démontable par exemple à l'aide de tirants (17), afin de rendre autonome une telle cellule, un module (20), de préférence démontable, vient coiffer le corps (8) et une portion externe au corps (8) du piston (6) ou de la tige (7) qui en est solidaire et présente une cavite (21) dans laquelle se déplace un piston auxiliaire (22), le piston auxiliaire (22) est associé en translation à la tige (7) du piston principal (6) et délimite dans la cavité (21) du module, deux chambres (23, 24) dont celle (24) qui, par rapport au piston auxiliaire est situee à l'opposé du piston principal (6) et qui est dite chambre arrière (24), est, par un orifice (25), reliée à un circuit (26) par lequel un fluide sous pression peut être alternativement introduit et extrait de la dite chambre arrière (24), cette cellule étant CARACTERISEE en ce que le piston principal (6) présente une collerette (28) qui s'ajuste dans un alésage (29) prevu dans la paroi superieure (16) du corps (8) pour y délimiter deux chambres annulaires (30, 31) de volumes complémentaires et dans l'une (30) desquelles chambres à savoir celle dite chambre inferieure et qui, par rapport à la collerette, se situe du même côté que l'échantillon, débouche un canal (32) au travers duquel un fluide peut être introduit pour exercer sur celle des surfaces radiales (33, 34) de la collerette qui est tourne vers la chambre (30) considérée une force qui, dirigée suivant l'axe longitudinal du piston, tend à déplacer le piston vers l'extérieur de la chambre d'essai et donc à décharger l'échantillon. 2. Cellule selon la revendication 1 caractérisée en ce qu'au moins celle (34) des surfaces radiales (33, 34) de la collerette (28) qui est à l'opposé de l'échantillon, est égale à la section du piston principal (6) et ce piston principal (6) est traversé par une conduite (36) de liaison entre la chambre annulaire (12) du corps et celle (31) des chambres délimitées par la collerette (28), qui est dite supérieure et qui, par rapport à la dite collerette (28), est située du côté opposé du corps, cette conduite de liaison (36) permettant de compenser les modifications de volume de la cavité du corps liées à la modification de la pénétration du piston principal dans le corps et par cela permet de ne pas tenir compte de modifications de volume de la chambre dans les calculs sur la a base des informations reccueillies telles la pression dans le corps. 3. Cellule selon la revendication 1 ou 2 caractérisee en ce que la surface de la face (33) de la collerette recevant la poussée dans le sens de la remontée du piston et la surface du piston auxiliaire (22) qui reçoit la poussée dans le sens de la descente du piston sont de préférence égales. 4. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisée en ce que - d'une part, la tige (7) du piston principal (6) ne depasse de la paroi superieure (16) du corps que d'une hauteur sensiblement égale à celle nécessaire pour pouvoir, en l'absence du module, recevoir la poussée d'un organe extérieur sur toute la course utile du piston principal et, - d'autre part, le piston auxiliaire (22) que loge le module d'autonomie (20) appuie directement ou par l'intermédiaire d'une tige (37), qui en est solidaire, par sa face extrême inférieure (38) sur la face extrême supérieure (39) du piston principal (6) ou de l'éventuelle tige qui en est solidaire. 5. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisée en ce qu'au piston auxiliaire (22) est associée une tige supérieure (40) qui traverse la paroi supérieure (41) du module d'autonomie (20) et se prolonge sur une longueur sensiblement équivalente à celle necessaire pour pouvoir communiquer directement à cette tige superieure (40) la poussee nécessaire pour assurer toute la course du piston auxiliaire (22). 6. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisée en ce qu'afin de réduire l'encombrement du module d'autonomie (20), la longueur du piston auxiliaire (22) est reduite à celle d'une collerette et pour néanmoins garder un bon guidage et éviter le coincement du piston auxiliaire, sa tige inférieure (37) s'engage dans un alésage complémentaire (42) sur une longueur qui, par rapport à la section de cette tige est suffisante pour assurer un bon guidage de l'ensemble. 7. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisée en ce que la fraction de la tige supérieure du piston auxiliaire porte un moyen de surveillance en vue de contrôler au moins indirectement et visuellement le deplacement du piston. 8. Cellule selon la 1 caractérisée en ce que, dans la chambre supérieure (31) de l'alésage (29) de la paroi supérieure (16) du corps (8), debouche une conduite reliée au circuit (26) de commande de la descente du piston (6).