Brevet FR2757273A1 — publié le 19980619

DISPOSITIF DE RECONNAISSANCE DU SOUS-SOL La présente invention a pour objet un pénétromètre ou dispositif de reconnaissance du sous-sol destiné en particulier, mais non exclusivement, à la reconnaissance des fonds sous-marins, sur une profondeur pouvant atteindre quelques dizaines de mètres. Un des moyens couramment utilisés pour évaluer les caractéristiques mécaniques des terrains de fondation d'ouvrages de génie civil, est l'essai de pénétrométrie statique dit CPT. Cet essai consiste à faire pénétrer par poussée, dans les terrains concernés, une tige équipée à son extrémité inférieure de capteurs permettant de mesurer en continu pendant l'enfoncement certains paramètres tels que la résistance de pointe et le frottement latéral. Ces mesures sont transmises par un câble traversant la tige par un évidement central. Classiquement, la tige, cylindrique, a un diamètre de 36 mm. La pénétration s'effectue à la vitesse continue de 2 cm/sec; la profondeur d'investigation et donc la longueur de la tige varie, selon les cas, de quelques mètres à quelques dizaines de mètres. L'effort de poussée sur la tige, fonction de la résistance des terrains et de la profondeur de l'investigation, varie couramment de quelques tonnes à 20 tonnes, valeur au-delà de laquelle l'essai est normalement arrêté. La poussée est généralement exercée à l'aide d'un vérin appuyant sur l'extrémité supérieure de la tige. Dans la pratique, la tige est constituée d'éléments successivement emboîtés par vissage. La longueur de chaque élément ne dépasse pas quelques mètres pour des raisons pratiques de longueur de vérinage et de tenue au flambage sous l'effort de poussée. La pénétration s'effectue pas par pas, chacun des pas correspondant à la longueur d'un élément poussé par le vérin. Dans le cas de reconnaissances en site terrestre, les opérations de raboutage des éléments et de passage du câble de mesure au travers de la tige nécessitent une intervention manuelle, ce qui présente l'inconvénient d'allonger significativement la durée des opérations. Dans le cas de reconnaissances en milieu sous-marin, le recours à des interventions manuelles est pratiquement exclu et d'autres méthodes opératoires ont été développées afin d'éliminer le problème du raboutage d'éléments de trains de tige. La tige, d'un seul tenant, donc d'une longueur pouvant atteindre plusieurs dizaines de mètres n est plus poussée par vérinage en bout, mais à l'aide d'un système de vérinage continu à galets. Les deux galets à axe horizontal se font face, et serrent la tige dans les gorges opposées. La mise en rotation des galets permet d'obtenir l'effet de vérinage. L'inconvénient d'un tel système est lié à l'effort de serrage qui doit être exercé par les galets sur la tige pour développer l'effort de vérinage. Compte tenu des caractéristiques mécaniques des tiges pénétromètriques, ce système ne permet pas de développer plus de quelques tonnes de poussée par paire de galets. Pour atteindre la vingtaine de tonnes couramment requise, plusieurs paires de galets doivent être empilées. Un inconvénient majeur de ce système résulte des difficultés de manutention et de mise en oeuvre de tiges de plusieurs dizaine de mètres de longueur notamment par grande profondeur d'eau. Pour pallier cet inconvénient, il a été proposé de recourir à la technique du "coil tubing", qui consiste à enrouler le tube sur une bobine de grande dimension. Dans cette opération d'enroulage, le tube est plastifié. Au cours de l'essai CPT, le tube est progressivement déroulé puis redressé par un ensemble de galets presseurs, ce qui lui fait subir à nouveau une mise en plasticité. Un tel système permet de réduire les problèmes liés à l'encombrement du tube d'un seul tenant, cependant l'écrouissage subi par la tige pénétromètrique, au cours des opérations successives d'enroulement, déroulement et poussée, en limite l'application à des tiges de petit diamètre, pour des reconnaissances de faibles pénétrations et des efforts de quelques tonnes, et conduit, dans tous les cas, à une détérioration rapide des tiges. La présente invention a pour objet de pallier ces inconvénients et de permettre la réalisation d'essais CPT pouvant atteindre des pénétrations de plusieurs dizaines de mètres, avec un équipement d'encombrement réduit, d'une mise en oeuvre automatique ne nécessitant pas, en cours d'essai, d'intervention manuelle. Selon l'invention, le dispositif de reconnaissance du soussol, comprenant une tour, des tiges emboîtables et un moyen pour appliquer une pression à l'extrémité supérieure de la tige supérieure du train de tiges est caractérisé en ce que les tiges sont articulées les unes sur les autres et disposées sur un touret, le touret présentant un noyau carré dont le côté est égal à la longueur d'une tige, le touret étant porté par une potence solidaire d'un coulisseau verticalement mobile dans des guides fixes, la tour portant, au voisinage de sa partie médiane, une paire de griffes ou pinces rétractables coopérant avec successivement l'un des angles du carré constituant le touret. Le train de tiges est un train continu, les tiges étant articulées entre elles. Le train ne devient rigide qu'au fur et à mesure de l'alignement successif des tiges. De préférence, les tiges reposent sur le touret côte à côte. Ainsi, la pression est toujours appliquée dans l'axe ce qui évite le flambage et, d'autre part, on prévoit des guides à la partie inférieure de la tour. Le fonctionnement est le suivant : Après avoir fixé l'outil sur une extrémité de la première tige, celle-ci est verticale. Le vérin appuie sur la seconde extrémité ce qui provoque la pénétration de l'outil dans le sol d'une hauteur égale à celle de la tige. Après quoi la tige du vérin remonte en entraînant la potence ce qui remonte également le touret. Mais les griffes rétractables situées du côté de la tour bloquent l'angle supérieur du touret. I1 en résulte que le touret tourne dans le sens sinistrorsum tout en s'élevant. Cette rotation d'un quart de tour amène la tige suivante qui était précédemment horizontale en position verticale. Au cours du cycle suivant les pinces sont rétractées, le vérin abaisse le touret et la première tige est enfoncée avec l'outil, poussée par la seconde tige dans le sol d'une longueur égale à celle d'une tige. Les opérations se poursuivent jusqu'à ce que la profondeur désirée ait été atteinte. La remontée de l'outil se fait en sens inverse, les pinces bloquant alors un angle se trouvant au fond du touret pour l'empêcher de descendre ce qui l'oblige à tourner dans le sens dextrorsum. Les tiges sont ainsi déposées, l'une contre l'autre, sur le touret au fur et à mesure de leur remontée. On notera qu'aucune force importante ne s'exerce sur l'axe du touret qui n a à supporter que le poids du touret et le poids des tiges qui y sont enroulées. L'action du vérin ne s'exerce que sur les tiges et en bout de celles-ci. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation, donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, en regard des dessins qui représentent - La Figure 1, une vue en élévation d'un dispositif selon l'invention en position médiane; - la figure 2, une vue de côté du même dispositif; - la figure 3, une vue du même dispositif en position haute; - les figures 4A à 4D des schémas expliquant le processus de descente d'une tige dans le sol; - les figures 5A à 5D, des schémas d'explication de la remontée d'une tige. Dans l'exemple représenté, la motricité résulte de l'action d'un pignon entraîné par un moteur (non représenté) sur une crémaillère coulissant sur la tour. Mais bien entendu, on pourrait prévoir un coulisseau solidaire de la tige d'un ou plusieurs vérins. Ce coulisseau doit avoir une course égale à deux fois la longueur d'une tige. C'est lui qui applique la pression nécessaire à la pénétration de l'outil dans le sous-sol. Sur la figure 1, on voit que le dispositif se compose d'un bâti reposant sur le sol qui peut être un sol sous-marin. Le bâti comprend une tour verticale 10 qui est de hauteur relativement faible par rapport à celle des dispositifs connus puisqu'elle est d'une hauteur sensiblement égale à deux fois la longueur d'une tige soit au maximum six mètres. A la partie supérieure de ladite tour 10 est prévue une potence 3 qui, par l'intermédiaire de deux bras 2 (dont un seul apparaît sur la figure 1) soutient un touret 1. Les bras 2 sont articulés à l'extrémité de la potence 3. Le touret 1, comprenant un noyau la à section carrée, est monté pivotant sur un (ou deux) axe 4 tourillonné à l'extrémité inférieure des bras 2 eux-mêmes montés pivotants sur la potence 3. Dans la position représentée sur la figure 1, le touret 1 prend appui par une de ses faces contre une face du bâti 10. Tel est le cas chaque fois que la pression est appliquée sur une tige 7. Comme cela apparaît sur la figure 2, le touret 1 reçoit sur son noyau la une pluralité de tiges 7, articulées en 13 l'une à la suite de l'autre, qui sont, en quelque sorte, enroulées côte à côte sur le noyau la du touret 1. Elles seront déroulées et ré-enroulées par rotation du touret 1 autour de son axe 4. A l'intérieur de la tour (figure 1) est monté un pignon 8 engrènant avec une crémaillère 9, formant coulisseau, la rotation du pignon 8 dans un sens ou dans l'autre provoquant la montée ou la descente de la crémaillère 9 à l'extrémité supérieure de laquelle est solidarisée la potence 3. Bien entendu, la crémaillère est montée coulissante dans des guides verticaux (non représentés) de la tour ou portique. C'est à dire que la rotation du pignon 8 provoque la montée ou la descente de la potence 3. Deux butées 11,12 forment partie intégrante de la potence. Le pignon 8 est entraîné par un moteur (non représenté). Mais tout autre moyen mécanique, électrique pneumatique ou hydraulique peut être utilisé pour obtenir un mouvement vertical alternatif de la potence et la pression nécessaire à l'insertion de l'outil et des tiges dans le sol. Le touret 1 porte dans chacun de ces angles des tétons ou broches en saillie formant pivots 6 lorsqu'ils sont en contact avec une pince 15. Ces pivots vont successivement coopérer avec la pince ou fourchette 15 solidaire de la tige d'un vérin 5. Ainsi, la fourchette 15 peut venir dans une première position en saillie avec l'un des tétons 6 pour bloquer la montée ou la descente du touret 1 et provoquer son pivotement autour de l'axe 4, alors qu'elle est inopérante dans la seconde position rétractée. Bien entendu, le touret 1 comporte quatre tétons de chaque côté et deux vérins 5 de part et d'autre du touret comme cela apparaît sur la figure 2. La figure 3 représente le dispositif en position haute. C'est à dire que sous l'action du pignon 8, la potence 3 a atteint sa position supérieure. Au cours d'une opération de descente de l'outil, la griffe 15 reste en position rétractée et la tige verticale, qui est encore à l'intérieur du touret, appuie sur la tige immédiatement inférieure pour lui transmettre la force de pénétration résultant de la rotation dans le sens dextrorsum, du pignon 8. Par contre, lorsque l'on remonte le train de tiges, la pince 15 vient autour du téton 6 se trouvant à la partie inférieure du touret, du côté de la tour, ce qui bloque la descente dudit touret. Celui-ci tourne alors d'un angle de 900 dans le sens dextrorsum, autour du téton 6, de sorte que la tige correspondante 7 se dépose sur le touret. La descente d'un élément de tige sera maintenant décrite en regard des figures 4A à 4D. Les figures 4 sont des schémas simplifiés sur lesquels on ne retrouve que le bâti 10, le touret 1, la potence 3 et son bras articulé. Sur la figure 4A, le touret est dans sa position maximale supérieure comme représenté sur la figure 3. Les quatre angles d'un côté du touret 1 sont symbolisés par les lettres A,B,C,D. Sur la figure 4B, le touret est descendu, comme expliqué précédemment, sous l'action d'une crémaillère ou d'un vérin et il occupe sa position maximale inférieure. I1 s'est déplacé, d'une valeur égale à la longueur d'une tige, en translation verticale, le long de la tour et l'on retrouve la même disposition des angles que sur la figure 4A. A partir de cette position, le vérin 5 amène la pince 15 autour du plot ou téton 6 de l'angle A ce qui immobilise celui-ci en hauteur. La crémaillère et par suite la potence poursuivant leur mouvement ascendant, le touret pivote dans le sens sinsitrorsum avec un déplacement de l'axe du touret. A la fin de ce mouvement, le touret se trouve dans la position de la figure 4D et la tige du vérin 5 ainsi que la pince 15 est rétractée. Le touret a tourné d'un quart de tour ce qui correspond à la descente d'une tige. Les figures 5A à 5D sont des schémas illustrant la remontée d'un train de tiges. Sur la figure 5A, le touret est dans sa position maximale inférieure. La pince 15 est rétractée. Sous l'action d'un ensemble pignon-crémaillère, la potence 3 et le touret 1 sont translatés verticalement jusque dans la position représentée sur la figure 5B. Cette translation se traduit par l'extraction du sol d'une tige 7. La pince 15 est alors avancée et bloque l'angle B du touret comme expliqué précédemment. La potence redescend alors, mais le touret 1 est immobilisé en translation autour de la pince 15. Il en résulte que le touret tourne autour de l'angle B dans le sens dextrorsum , le bras 2 prenant un léger débattement. Lorsque la potence 3 a pris sa position la plus inférieure, le touret a tourné d'un quart de tour et l'une des tiges du train s'est enroulée sur le touret. L'angle B est débloqué par retrait de la pince 15 et un nouveau cycle peut recommencer. Des systèmes d'articulation de tiges pouvant se bloquer automatiquement dans une position déterminée et se débloquant dès qu'on cesse d'exercer une pression, notamment par insertion de tenons dans des fentes ou mortaises sont connus et ne nécessitent pas de description particulière. La présente invention permet ainsi de disposer d'un pénétromètre simple à fonctionnement continu. La simplicité de celui-ci permet sa pose sur un fond marin difficilement accessible et un fonctionnement télécommandé à grande profondeur puisque des câbles peuvent délivrer l'énergie nécessaire depuis la surface et transmettre en retour les données captées. La description qui précède concerne un dispositif de reconnaissance du sous-sol. Mais il est, bien entendu, possible de l'utiliser pour servir d'autres équipements à tiges pressées, par exemple, pour introduire un tube ou câble de mesure dans le fond d'un forage préexistant. Il va de soi que de nombreuses variantes peuvent être apportées, notamment par substitution de moyens techniques équivalents, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 10 Dispositif de reconnaissance du sous-sol, comprenant une tour (10), un train de tiges emboîtables (7), un moyen pour appliquer une pression à l'extrémité supérieure de la tige supérieure du train de tiges et un outil de reconnaissance monté au-dessous de la première tige du train caractérisé en ce que les tiges (7) sont articulées en 13 les unes sur les autres et disposées sur un touret (1), présentant un noyau carré (la) dont le côté est égal à la longueur d'une tige, monté rotatif autour d'un axe central (4). 20 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le touret (1) est solidaire d'un coulisseau (9) animé d'un mouvement vertical alternatif dans des guides fixes de la tour (10). 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le touret (1) est monté pivotant par deux bras (2) sur une potence (3) solidaire du coulisseau (9), monté dans des guides fixes de la tour (10), l'une des extrémités des bras étant tourillonnée sur la potence alors que l'autre extrémité porte des axes (4) de pivotement du touret. 40 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la tour (10) présente une paire de pinces rétractables (15) coopérant successivement avec l'une des quatre paires de tétons (6) en saillie dans les angles du carré constituant le touret (1) pour faire pivoter le touret (1) lors d'un mouvement de montée ou de descente de celui-ci. 50 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les mouvements alternatifs du touret (1) et la pression nécessaire à l'enfoncement des tiges et de l'outil sont obtenus par l'intermédiaire d'un pignon (8) entraîné par un moteur, engrenant avec une crémaillère (9) solidaire de la potence (3). 60 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pinces (15) sont montées, chacune, sur la tige d'un vérin (5). 70 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coulisseau (9) est entraîné par la tige d'au moins un vérin.