Brevet FR2723785A1 — publié le 19960223

De nombreux ouvrages en génie civil ou en génie industriel (ouvrages en sol renforcé, fondations sur pieux ou micro pieux, silos de stockage, etc...) mettent en jeu des phénomènes d'interfaces entre un matériau granulaire (sols, céréales, poudres, farines, granulats divers, etc..... ) et un élément de structure (en acier, en béton, etc....). Les dimensions de ces ouvrages sont déterminées par les propriétés de ces interfaces, qui sont très complexes à comprendre et à mesurer avec précision. A l'interface d'un matériau granulaire et d'un élément de structure est observée classiquement la formation d'une couche, appelée couche d'interface, o les déformations dues au cisaillement se concentrent. Le comportement du matériau granulaire dans cette couche est très important en ce qui concerne la réponse macroscopique de l'ouvrage. Observer et comprendre les phénomènes micro-mécaniques se produisant dans cette couche d'interface, mesurer avec précision le comportement macroscopique sont indispensables pour pouvoir déterminer au mieux les dimensions des ouvrages. L'invention propose un nouveau dispositif de mesure qui réalise des mesures permettant l'évaluation des propriétés physiques d'interface entre un matériau solide à tester et un matériau granulaire. Le matériau solide est également dénommé "matériau d'interface". Le matériau granulaire peut contenir un fluide, mais n'est pas lui-même un fluide. Il existe déjà des appareillages utilisés pour mesurer les propriétés d'interface entre un matériau granulaire et un matériau d'interface: ces appareillages connus présentent tous des défauts plus ou moins importants. En ce qui concerne les appareillages de laboratoire, les boîtes planes de cisaillement direct ou simple induisent des états de contraintes et déformations dans le matériau granulaire hétérogènes, avec une circulation du matériau de l'amont vers l'aval. Un autre essai de cisaillement consiste à arracher une tige placée dans un échantillon cylindrique de matériau granulaire. Cet essai est hétérogène, du fait que les efforts de traction sont repris en grande partie par l'embase supérieure. Enfin, dans la boîte de cisaillement direct annulaire, l'échantillon annulaire de matériau granulaire est cisaillé sur sa face supérieure ou inférieure, tandis que les trois autres faces sont contenues par une boite rigide. Il existe donc un gradient 2 2723785 de déplacement du matériau d'interface entre le rayon intérieur et le rayon extérieur. En ce qui concerne les essais sur le terrain, peuvent être cites l'essai au pressiomètre arraché, au frictiomètre, au phicomètre et au pénétromètre. L'essai au pressiomètre arraché consiste à arracher une sonde pressiométrique installée et gonflée dans un forage, en contrôlant la sonde soit en pression, soit en volume. L'essai au frictiomètre consiste à faire tourner une sonde cylindrique dans un forage. Le sol n'est pas confiné sur l'extérieur et l'amortissement des déformations se fait dans un volume de sol quasiment infini. L'essai au phicomètre consiste à faire tourner une sonde munie d'ailettes et gonflée à une certaine pression afin de cisailler le sol en volume. Il s'agit plus d'un essai de sol que d'un essai d'interface. De plus dans cet essai, le sol n'est pas confiné sur l'extérieur. En outre, le phicomètre peut être arraché de la même manière que le pressiomètre. Les essais du type pénétromètre s'apparentent tous à l'essai d'arrachement d'une tige. Le cisaillement du sol se fait du haut vers le bas par opposition aux essais d'arrachement. Dans tous ces cas, le cisaillement est axisymétrique. L'invention a pour but de proposer un dispositif de mesure apte à réaliser des mesures réellement représentatives des propriétés d'interface permettant une évaluation exacte de ces propriétés. A cette fin, selon l'invention, le dispositif de mesure comprend: un noyau central présentant une face périphérique de sensible symétrie axiale de révolution par rapport à un axe de révolution, constituée par ledit matériau solide à tester, une cage externe, à l'intérieur de laquelle est disposé ledit noyau, et qui supporte une face interne présentant une symétrie de révolution par rapport audit axe de révolution, un espace étant ménagé entre ladite face interne de la cage et ladite face périphérique du noyau central; un dispositif d'entraînement en rotation relative du noyau central par rapport à la cage externe; et, des dispositifs de mesure de ladite rotation relative et du couple d'entraînement selon cette rotation relative; ledit espace étant destiné à être empli dudit matériau granulaire, de manière notamment que puissent être réalisées des mesures de rotation ou de vitesse relative et de couple par l'intermédiaire desdits dispositifs de mesure, et que puissent être déduits 3 2723785 desdites mesures le déplacement tangentiel et la contrainte de cisaillement du matériau granulaire à l'interface. Les avantageuses dispositions suivantes sont en outre de préférence adoptées: - ladite face périphérique du noyau central est sensiblement de révolution; - ce dispositif comporte en outre une plaque transversale supérieure dont la section droite correspond sensiblement à celle dudit espace et qui est destinée à être mise en appui sur le matériau granulaire afin de lui transmettre une pression déterminée; - la face interne supportée par la cage est celle délimitant une vessie axiale qui est gonflable et qui est fixe par rapport à ladite cage; - le dispositif comprend un élément inférieur de confinement qui est disposé en-dessous et sensiblement à l'aplomb de la face transversale inférieure du noyau central et qui est destiné à coopérer à contenir le matériau granulaire dans ledit espace; - l'élément inférieur de confinement est constitué par une vessie inférieure gonflable; - le dispositif comprend un élément supérieur de confinement qui est disposé au-dessus de et sensiblement à l'aplomb de la face transversale supérieure du noyau central et qui est destiné à coopérer à contenir le matériau granulaire dans ledit espace; l'élément supérieur de confinement est constitué par une vessie supérieure gonflable; - lesdites vessies inférieure et supérieure sont susceptibles d'être gonflées simultanément; - le dispositif comporte en outre une plaque transversale inférieure dont la section droite concide sensiblement avec celle dudit espace et qui est destinée à supporter le matériau granulaire et à coopérer à la contenir dans ledit espace. L'avantage principal de l'invention est de proposer un dispositif de mesure apte à réaliser des mesures, dont le traitement ultérieur aboutit à la détermination de propriétés physiques, notamment de valeurs de contraintes de cisaillement, permettant des prévisions satisfaisantes du comportement des éléments solides de structure dans les matériaux granulaires. 4 2723785 L'invention sera mieux comprise, et des caractéristiques secondaires et leurs avantages apparaîtront au cours de la description de réalisations donnée ci- dessous à titre d'exemple. Il est entendu que la description et les dessins ne sont donnés qu'à titre indicatif et non limitatif. Il sera fait référence aux dessins annexés, dans lesquels les figures 1 à 4 sont des coupes axiales schématiques de quatre réalisations de dispositifs de mesure conformes à l'invention. Le dispositif de la figure i est utilisé en laboratoire et comprend: - un noyau central 1, rigide; - un moteur 2 d'entraînement en rotation du noyau central; - un arbre d'entraînement 3 reliant le moteur 2 au noyau central 1; - une chemise 4, réalisée dans le matériau rigide (solide) à tester, solidaire du et portée par le noyau central 1, dont la face périphérique 4A présente une sensible symétrie axiale de révolution, d'axe de révolution 5 confondu avec l'axe de rotation de l'arbre d'entraînement 3, - une cage externe 6, rigide, qui entoure le noyau central 1, présente une face interne 6A de sensible révolution axiale d'axe de révolution 5, ménage un espace entre ladite face interne 6A et la face périphérique 4A de la chemise 4, et est immobile; - une embase inférieure 7, rigide, transversale par rapport à l'axe de révolution 5, placée en-dessous et à l'aplomb de l'espace ménagé entre les faces 4A et 6A, - une embase supérieure 8, rigide, transversale par rapport à l'axe de révolution 5, placée au-dessus de l'espace ménagé entre les faces 4A et 6A; Le matériau granulaire à tester 9 emplit ledit espace compris entre les faces 4A et 6A, l'embase inférieure 7 l'empêchant sensiblement de s'écouler hors dudit espace, et l'embase supérieure 8 étant placée en appui sur la partie supérieure du volume dc ce matériau granulaire. Ainsi, le matériau granulaire est confiné dans ledit espace, d'o il ne peut pratiquement pas s'échapper. Ce volume est en appui sur la face interne 6A de la cage externe 6 et est immobilisé par rapport à cette cage externe 6 par les forces de frottement. Une couche d'interface 9A de ce matériau granulaire 9 est en outre au contact de la face 4A de la chemise 4. Il convient de noter les points suivants: 2723785 - la rotation de l'arbre 3 par rapport à la structure 10 provoque une rotation relative du noyau central 1 par rapport au volume de matériau granulaire 9; - cette rotation relative provoque un cisaillement du matériau granulaire de la couche d'interface 9A due au contact de la face 4A de la chemise 4 avec ladite couche d'interface 9A; - ladite rotation relative et le couple d'entraînement en rotation du noyau central 1 sont mesurés, de manière connue et par des moyens connus, non représentés sur la figure 1; - les calculs classiques de résistance de matériaux permettent de déduire des valeurs desdites rotation et couple, les valeurs du déplacement tangentiel et de la contrainte de cisaillement dans la zone de la couche d'interface 9A; - dans l'ensemble représenté, les faces 4A et 6A sont cylindriques, d'axe 5; en variante, elles pourraient n'être que de révolution d'axe 5; - si les faces supérieure 7A de l'embase inférieure 7 et inférieure 8A de l'embase supérieure 8, qui sont au contact du matériau granulaire 9, peuvent avoir un état de surface de rugosité faible, la face 4A doit par contre avoir une rugosité particulière, celle de la face 6A permettant l'immobilisation du volume de matériau granulaire 9 par rapport à la cage externe 6, et celle de la face 4A réalisant le cisaillement du matériau de la couche d'interface 9A; - la face périphérique 4A du noyau central peut d'ailleurs être munie de rainures, d'ailettes, ou de dispositifs analogues; - le matériau granulaire 9 confiné dans l'espace compris entre le noyau central 1, la cage externe 6 et les deux embases 7 et 8, peut en outre être consolidé par une pression verticale transmise par l'embase supérieure 8. 11 peut en outre être imprégné d'un liquide, en étant partiellement ou totalement saturé, ou encore être à sec au moment de l'essai; - les conditions aux limites peuvent être choisies: ainsi, dans la zone de la face 6A de la cage extemrne, il est possible de faire en sorte que le déplacement radial, ou que la contrainte radiale, soit constant, ou encore qu'une fonction de ces deux caractéristiques soit respectée; - de même, les embases 7 et 8 peuvent être maintenues fixes l'une par rapport à l'autre, l'essai réalisé conduisant à des déformations planes, ou peuvent être libres de se déplacer, la pression d'appui de l'embase supérieure étant par 6 2723785 exemple constante; ou encore, le déplacement axial relatif des deux embases et la pression d'appui étant liés par une fonction déterminée; en outre, les embases 7 et 8 peuvent être réalisées en un matériau trnpet, permettant l'observation visuelle des phénomènes se produisant aussi bien dans la couche d'interface 9A qu'au sein du matériau granulaire 9. Les dispositifs de mesures conformes à l'invention représentés sur les figures 2 à 4 reprennent les dispositions déjà décrites, mais en les adaptant aux mesures effectuées sur les chantiers, hors d'un laboratoire. Un tube cylindrique de carottage 106 a pénétré dans le sol et contient une carotte 109 dudit terrain constituant le matériau granulaire. Un matériau central 101, analogue au noyau 1, a été descendu dans le tube 106, analogue de la cage 6 et est au contact du matériau granulaire d'interface 109A. En regard du noyau central 101, la paroi interne 106A du tube 106 est éventuellement revêtue d'une vessie gonflable 126 dont la face axiale 126A comporte une symétrie de révolution d'axe de révolution 105 confondu avec l'axe commun du tube 106 et du noyau central 101. La rugosité de la face 16A est par ailleurs, la plus faible possible, afin d'éviter d'avoir à remanier le sol carotté. Un moteur 102 d'entraînement en rotation relative du noyau central 101 par rapport au tube 106 et à la vessie 126 est relié au noyau central 101 par un arbre d'entraînement 103. Le noyau central 101 est délimité par une face périphérique axiale 10LA de révolution, en l'espèce sensiblement cylindrique, et par des faces transversales supérieure 127 et inférieure 128. Dans la réalisation de la figure 2, sont accolés auxdites faces transversales 127 et 128 et solidaires du noyau 101, des éléments supérieur 129 et inférieur 130 de confinement, respectivement. Dans l'exemple représenté, ces éléments de confinement sont constitués par des vessies, qui sont gonflables simultanément. Dans la réalisation de la figure 3, une plaque transversale supérieure 108, analogue à l'embase supérieure 8, complète la partie de la section droite de l'intérieur du tube 106 qui n'est pas occupée par l'élément supérieur de confinement 129, achevant ainsi d'obturer le tube 106. Cette plaque supérieure 108, entoure la partie supérieure de l'élément supérieur de confinement 129 et est mise en appui sur la partie supérieure de la carotte 109, y exerçant par l'intermédiaire de sa face inférieure 108A, une pression déterminée contribuant à la consolider. 7 2723785 La réalisation de la figure 4 est proche de celle de la figure 3, s'en distinguant par l'absence de l'élément supérieur 129 de confinement. Dans ce cas, la section de la plaque supérieure 108 coïncide avec la partie de la section droite de l'intérieur du tube 106 non occupée par le noyau central 101. La plaquc supérieure 108 entoure la partie supérieure du noyau central 101 et est en appui sur la partie supérieure de la carotte 109, y exerçant par l'intermédiaire de sa face inférieure 108A, une pression déterminée contribuant à la consolider. Les caractéristiques de rugosités et/ou de formes des faces 101A, 126A sont analogues à celles des faces 4A et 6A de la réalisation de la figure 1. De même, le matériau granulaire peut être sec, ou partiellement ou totalement saturé par un fluide. Les conditions aux limites peuvent également être l'objet de choix analogues: le gonflage plus ou moins important de la vessie axiale 126 contribue auxdits choix. Avec le dispositif de la figure 1, les essais réalisés correspondent à la réalisation d'un cisaillement pur du matériau d'interface 9A, de type annulaire, sans arrachement perturbateur. Le matériau granulaire 9 est entièrement confiné: axialement, par la face 4A du matériau solide à tester, et par la face interne 6A de la cage externe 6; inférieurement par l'embase inférieure 7; et supérieurement, par l'embase supérieure 8. Le même résultat est obtenu dans les réalisations des figures 2 à 4; axialement, par les faces 101A du noyau central 101 et 126A de la vessie 126; inférieurement par l'élément inférieur 130 de confinement; supérieurement par l'élément supérieur 129 de confinement et/ou par la plaque supérieure 108. Bien entendu, l'invention s'étend aux cas o, dans une variante de réalisation de la figure 1, le noyau central 1 serait constitué lui-même par le matériau solide à tester, sans chemise 4 rapportée, ou encore, une vessie axiale gonflable serait fixée sur la face interne de la cage 6, de manière analogue à la vessie 126 des figures 2 à 4. De manière analogue, l'invention comprend également les variantes de réalisations des figures 2 à 4 qui comporteraient uniquement le tube 106 de carottage, sans vessie axiale gonflable 126 rapportée. De même, le noyau central 101 pourrait ne pas être constitué entièrement par le matériau solide à tester, mais 8 2723785 être revêtu d'une chemise constituée par ce matériau, analogue à la chemise 4 de la réalisation de la figure 1. Les dispositifs de mesures conformes à l'invention permettent, de manière nouvelle, et ce quelques soient les conditions aux limites imposées, d'obtenir des déplacements, des déformations et des contraintes uniformes du matériau d'interfacc. En outre, la face axiale externe du matériau granulaire est toujours confinée (faces 6A; 126A). L'invention n'est pas limitée aux réalisations décrites et/ou représentées, mais en couvre toutes les variantes qui pourraient leur être apportées sans sortir de leur cadre, ni de leur esprit. 9 2723785 REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure permettant l'évaluation des propriétés physiques d'interface (9A;109A) entre un matériau solide à tester (4; 101) et un matériau granulaire (9;109), S caractérisé en ce qu'il comprend: - un noyau central (1;101) présentant une face périphérique (4A;101A) de sensible symétrie axiale de révolution par rapport à un axe de révolution (5;105), constitué par ledit matériau solide à tester, - une cage externe (6;106), à l'intérieur de laquelle est disposé ledit noyau central, et qui supporte une face interne (6A; 126A) présentant une symétrie de révolution par rapport audit axe de révolution, un espace étant ménagé entre ladite face interne de la cage et ladite face périphérique du noyau central; - un dispositif (2-3;102- 103) d'entraînement en rotation relative du noyau central par rapport à la cage extemrne; et, - des dispositifs de mesure de ladite rotation relative et du couple d'entraînement selon cette rotation relative; - ledit espace étant destiné à être empli dudit matériau (9; 109) granulaire, de manière notamment que puissent être réalisées des mesures de rotation relative et de couple par l'intermédiaire desdits dispositifs de mesure, et que puissent être déduits desdites mesures le déplacement tangentiel et la contrainte de cisaillement du matériau granulaire à l'interface (9A;109A). 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite face périphérique (4A;101A) du noyau central est sensiblement cylindrique. 3. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une plaque transversale supérieure (8;108) dont la section droite correspond sensiblement à celle dudit espace et qui est destinée à être mise en appui sur le matériau granulaire (9;109) afin de lui transmettre une pression déterminée. 4. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la face interne (126A) supportée par la cage (106) est celle délimitant une vessie axiale (126) qui est gonflable et qui est fixe par rapport à ladite cage (106). 5. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, 2723785 caractérisé en ce qu'il comprend un élément inférieur (130) de confinement qui est disposé en-dessous et sensiblement à l'aplomb de la face transversale inférieure (128) du noyau central (101) et qui est destiné à coopérer à contenir le matériau granulaire (109) dans ledit espace. 6. Dispositif de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément inférieur de confinement (130) est constitué par une vessie inférieure gonflable. 7. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un élément supérieur (129) de confinement qui est disposé au-dessus de et sensiblement à l'aplomb de la face transversale supérieure (127) du noyau central (101) et qui est destiné à coopérer à contenir le matériau granulaire (109) dans ledit espace. 8. Dispositif de mesure selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'élément supérieur de confinement (129) est constitué par une vessie supérieure gonflable. 9. Dispositif de mesure selon l'ensemble des revendications 6 et 8, caractérisé en ce que lesdites vessies inférieure (130) et supérieure (129) sont susceptibles d'être gonflées simultanément. 10. Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une plaque transversale inférieure (7) dont la section droite coïncide sensiblement avec celle dudit espace et qui est destinée à supporter le matériau granulaire (9) et à coopérer à le contenir dans ledit espace.