Brevet FR2798698A1 — publié le 20010323

L'invention concerne des essais réalisés à partir d'un forage pour déterminer les caractéristiques mécaniques du terrain en élasticité et en plasticité, grâce l'appareil selon l'invention, dérivé de l'appareil de type "pressiomètre", qui a été breveté en France sous le numéro 1.117.983, le 19.01.1955, par monsieur Louis Ménard. Cet appareil a été perfectionné et breveté sous le numéro 1.234.756, le 15.05.1959 par monsieur Louis Ménard, notamment en ce qui concerne les différentes parties de l'appareil. A partir de cette conception de base, on note l'apparition du procédé d'autoforage avec le brevet français numéro 1.596.747, du 2.12.1968, par messieurs Jean Jézéquel et Jean Touzé, ainsi que les mesures de déformée du sol par des capteurs de déplacement, et des récepteurs acoustiques, dans le brevet européen numéro EP 0. 1 46.324.A2, du 10.12.1984 par monsieur Serata Shodei. tels essais comportent généralement, suivant des procédés connus et utilisés couramment, l'établissement d'un graphique pression volume qui représente la résistance du terrain à un niveau donné. Ces essais sont réalisés avec une sonde qui est descendue à un niveau déterminé du forage. Cette sonde est alors remplie par un liquide. A partir de la surface on applique successivement des paliers de pression croissants. Pour chacun de ces paliers, on mesure la déformation de la sonde à des intervalles de temps croissants. On connaît aussi des procédés de chargement plus complexes, avec un cycle déchargement rechargement, comme dans le brevet EP 0. 1 46.324.A2. essais ne permettent que d'obtenir une appréciation sur la résistance et la déformabilité du terrain. D'une part on suppose que le terrain réagit élastiquement lorsqu'on atteint une relation linéaire entre la pression du liquide, et le volume injecté dans sonde, ceci pour trouver une caractéristique de déformabilité, alors que le comportement du terrain est à la fois élastique et plastique. D'autre part on détermine une pression, limite correspondant à une expansion infinie de la sonde, ceci pour trouver une caractéristique de résistance et on utilise des corrélations empiriques pour déterminer une pression admissible de service pour le terrain. Ces deux méthodes sont donc la fois imprécises et mal adaptées aux besoins du calcul. Une amélioration de l'essai a été opérée dans le brevet n 89 0967 du 12.07.1989 par monsieur Jacques Monnet. Ce dernier brevet contribue à une meilleure détermination des caractéristiques du sol par un ensemble de corrections appliquer aux mesures de pression et volume, par la détermination du module élastique de cisaillement sur un cycle de déchargement rechargement, et par la détermination de l'angle de frottement interne grâce à la pente de la relation linéaire qui existe entre le logarithme de la pression et le logarithme de la déformation radiale du forage. L'invention apporte un perfectionnement à la technique de mesure en ajoutant une circulation d'eau externe dans le sol à l'extérieur de la sonde pressiométrique. Ceci permet de régler et de contrôler la contrainte verticale autour de la sonde pressiométrique grâce à un dispositif hydraulique approprié, en ayant recours l'appareil selon l'invention d'essai en forage. Ce perfectionnement est basé sur le fait qu'on a découvert que l'équilibre statique du terrain, autour de la sonde, est déterminé dans les conditions d'élasticité et de plasticité par la contrainte verticale. L'invention apporte un perfectionnement à la technique de mesure en permettant la détermination directe de la perméabilité du soi autour de la sonde. L'invention apporte un perfectionnement à la technique de mesure en permettant grâce l'utilisation de la circulation hydraulique, la réalisation d'essais à très faible profondeur. L'invention apporte un perfectionnement à la technique d'interprétation de l'essai en permettant, par l'utilisation simultanée de deux ou trois essais, de déterminer la fois la cohésion et l'angle de frottement interne du sol. Les caractéristiques de l'invention et ses avantages ressortiront plus clairement de la description qui va suivre, laquelle est donnée à titre d'exemple non limitatif et concerne un mode de mise en oeuvre particulier illustré au moyen des dessins annexés dans lesquels La figure 1 représente très schématiquement une installation d'essai de forage, conforme à l'invention. La sonde est ici composée d'une cellule de mesure et de quatre cellules de garde. La présence de ces cellules de garde n'est pas indispensable, et l'invention peut être utilisée avec une sonde unicellulaire ou avec deux cellules de garde. La figure 2 représente le principe de fonctionnement de la sonde de l'appareil selon l'invention, avec la circulation d'eau externe. La circulation de haut en bas a pour effet d'augmenter la contrainte verticale. La circulation d'eau de bas en haut a pour effet de diminuer la contrainte verticale. figure 3 représente la composition mécanique de la sonde de l'appareil selon l'invention. La figure 4 représente un exemple de tableau de contrôle de la circulation d'eau externe à la sonde de l'appareil selon l'invention. La figure 5 représente une courbe traduisant les valeurs de la déformation de la sonde pour différents instants à partir du moment où une pression est imposée au terrain. La figure 6 représente une courbe de chargement de sonde avec un cycle déchargement rechargement conforme à l'invention. La figure 7 représente l'augmentation de contrainte verticale, le long du rayon, que l'appareil selon l'invention génère dans le terrain, lorsque la circulation d'eau se fait de haut en bas. La figure 8 représente la relation entre la variation de déformation de la sonde entre deux instants différents, et pour une même valeur de la pression. Une correspondance est indiquée avec la figure 6 qui montre la façon dont on détermine la pression de fluage Pf en E, et pression limite PI en F. La figure 9 représente la relation linéaire qui existe entre logarithmes népériens de la pression de réaction additionnée du terme de cohésion que multiplie la cotangente de l'angle de frottement interne du terrain, et la déformation du forage pour une valeur appropriée de la contrainte verticale due au poids des terres et à la circulation d'eau générée par l'appareil selon l'invention. La figure 10 représente la méthode de détermination de la cohésion et de l'angle de frottement interne que l'on utilise à partir de deux essais proches réalisés avec l'appareil selon l'invention. En référence la figure 1, un forage (3) traverse un terrain. La partie du forage correspondant au niveau de la sonde peut être laissée à découvert sans aucun revêtement. La partie restante du forage peut être soit tubée, soit laissée à nu. Une unité de contrôle (1) est placée en surface, et reliée par des tubulures (2) électriques ou hydrauliques à la sonde. Par l'intermédiaire de l'unité de contrôle (1), on commande une mise en circulation de l'eau externe à l'appareil selon l'invention et une mise en pression de la sonde (4). Une mesure de la pression et du débit de l'eau dans la circulation externe à l'injection et au pompage se fait au niveau du tableau de contrôle ou au niveau. de la sonde. L'unité de contrôle transmet la pression à la cellule de mesure de la sonde qui charge le terrain et se déforme. Elle mesure cette pression. Une mesure de déformation de la cellule de mesure se matérialise par soit une mesure électrique ou hydraulique locale au niveau de la sonde (4), soit par une mesure électrique ou hydraulique correspondant à un niveau liquide dans l'unité de contrôle (1). L'unité de contrôle (1) assure l'alimentation de la sonde, reçoit et traite les informations venant de la sonde éventuellement jusqu'à l'établissement complet des graphiques pression de réaction du terrain, déformation de la sonde. Pour effectuer les différentes mesures en vue de l'établissement de ces graphiques, la sonde comprend au moins a/ Une cellule de mesure (6). II s'agit d'un appareil cylindrique dont la surface extérieure est constituée d'une membrane déformable. Un fluide, l'intérieur de la cellule de mesure, charge la membrane et celle ci se déforme. b/ Un capteur de pression qui mesure la pression du fluide à l'intérieur de la cellule de mesure. Cet appareil peut éventuellement être ramené en surface dans l'unité de contrôle. c/ Un capteur de déformation qui mesure la valeur du rayon ou du diamètre de la sonde au niveau de la cellule de mesure. Cet appareil peut éventuellement être ramené en surface dans l'unité de contrôle. d/ Une cellule d'injection ( 7 ) qui permet à l'eau de la circulation externe d'être introduite dans le sol. Cette cellule est ici placée en partie haute de la sonde, mais on peut aussi la placer en partie basse, si on décide d'inverser le sens de circulation de l'eau externe. e/ Une cellule de pompage ( 8 ) qui permet à l'eau de la circulation externe d'être reprise par le circuit hydraulique de l'appareil selon l'invention. Cette cellule est ici placée en partie basse de la sonde, mais on peut la placer en partie haute, si on décide d'inverser le sens de circulation de l'eau externe. f1 Eventuellement des cellules de garde (5). II s'agit d'un appareil cylindrique dont la surface extérieure est constituée par une membrane déformable. Un fluide liquide ou plus souvent gazeux, à l'intérieur des cellules de garde (5), charge la membrane et celle ci se déforme. Cet appareil a pour fonction de rendre la contrainte et la déformation homogène au niveau de la cellule de mesure et d'empêcher l'eau de la circulation externe de remonter dans le forage. g/ Eventuellement un capteur de pression qui mesure la pression du fluide à l'intérieur des cellules de garde. Cet appareil peut éventuellement être ramené en surface au niveau de l'unité de contrôle. h/ Eventuellement une protection extérieure aux membranes des cellules de mesure et de garde, constituée soit par une membrane renforcée, soit par une membrane protégée de lamelles métalliques, soit par un tube métallique fendu longitudinalement, soit par une combinaison de ces méthodes. Ces appareils de mesure peuvent de préférence être connectés les uns aux autres pour former une seule sonde descendue dans le forage en une seule fois. Toutefois, ces instruments peuvent aussi être utilisés séparément, chacun en association avec l'unité de contrôle. En référence la figure 2, l'appareil selon l'invention crée une circulation d'eau ( 9 ) externe à la sonde, dans le terrain. Cette circulation s'établit entre une crépine d'injection ( 7 ) en partie haute de la sonde, et une crépine de pompage ( 8 ) en partie basse de la sonde, ceci pour créer un champ de gravité artificiel autour de la sonde. On peut également inverser le sens de circulation de l'eau externe si on désire au contraire diminuer la contrainte verticale. En référence à la figure 3, la sonde est composée d'une cellule de mesure ( 6 ) dans laquelle on injecte un fluide à une pression imposée par l'intermédiaire du tube de connexion ( 11) avec l'unité de contrôle. Des cellules de garde ( 5 ) gonflée en général avec un gaz assurent un champ de contrainte cylindrique autour de la sonde, et empêchent l'eau de la circulation externe de remonter dans le forage. Ces cellules sont gonflées par l'intermédiaire de la connexion ( 11) avec l'unité de contrôle. L'eau de la circulation externe est amenée à la cellule d'injection (7 ) par les connexions ( 10 ) avec l'unité de contrôle. L'eau de la circulation externe est reprise dans la cellule de pompage ( 8 ) pour être ramenée par les connexions (11) à l'unité de contrôle. En référence à la figure 4, l'unité de contrôle comprend des systèmes de mesure de la pression et du volume du fluide de la cellule de mesure ( 6 ), de la pression des cellules de garde ( 5 ). II comprend aussi un ensemble de commandes de la circulation externe. Ce dispositif est composé d'une pompe hydraulique ( 12 ) qui met en mouvement l'eau. La pompe est ici représentée comme faisant partie de l'unité de contrôle, mais elle peut être assemblée directement avec la sonde de l'appareil selon l'invention. Des capteurs mesurent la pression sur le circuit venant du pompage ( 13 ) ou allant à l'injection ( 14 ). Les débitmètres mesurent le débit d'eau venant du pompage ( 15 ) et allant à l'injection ( 16 ). Un bac d'alimentation ( 17 ) contient l'eau nécessaire à la saturation du sol autour de la sonde. Un clapet anti-retour ( 18 ) permet l'alimentation du circuit d'eau externe pendant la phase de mise en saturation du sol. La mesure de la relation entre la pression d'injection et de pompage, et le débit d'injection et de pompage donne une détermination directe du coefficient de perméabilité du sol. Dans le procédé selon l'invention, on effectue des mesures de pression des fluides et de déformation de la sonde en utilisant les appareils décrits ci-dessus et en référence à un niveau sélectionné du puits. On effectue la mesure déformation dans la cellule de mesure à des intervalles de temps croissant. La courbe de la figure 5 a été obtenue pour des mesures de déformation de la sonde, 15 secondes, 30 secondes, 1 minute après l'application de la pression. Cette échelle des temps est purement indicative et toute autre progression peut être utilisée. En référence à la figure 6, la pression que l'on impose la sonde, est appliquée par paliers successifs selon le procédé indiqué ci dessus. La courbe indique avant le point A, une mise en contact de la sonde et du terrain. Du point A au point E, la relation entre la pression appliquée et la déformation de la sonde, est linéaire. A partir du point B, on procède par paliers successifs de déchargement, jusqu'au point C, et on recharge par paliers pour revenir à la pression de début de cycle en D. Du point au point F, les déformations augmentent rapidement, et en F on ne peut plus obtenir de stabilité de la mesure. La pression en F est appelée pression limite et notée La mesure de la pente du cycle de déchargement rechargement donne le module élastique de cisaillement du soi. Avec l'hypothèse d'un coefficient de Poisson, on en déduit le module d'élasticité du sol. détermination directe de la perméabilité vue précédemment, et du module d'élasticité sur le cycle permet une détermination du coefficient de consolidation du sol. En référence à la figure 7, la circulation d'eau externe autour de sonde ( 9 ) génère une augmentation artificielle de la contrainte verticale. Cette augmentation est plus forte au contact de la sonde et décroît asymptotiquement le long du rayon. L'augmentation de contrainte verticale moyenne sur deux rayons est ajoutée au poids des terres pour obtenir contrainte verticale nécessaire à l'interprétation de l'essai, et pour donner une profondeur simulée. Dans le procédé selon l'invention, on corrige les pressions imposées à la sonde, et les déformations, pour se ramener à une valeur de la pression de réaction moyenne du terrain à une déformation moyenne, le long de la cellule de mesure, conformément au brevet 89.0967. ' résultats pression et déformation corrigées, obtenus et classés par niveau de terrain, présentent un grand intérêt. Dans l'exemple décrit, ces courbes donnent beaucoup plus d'informations que la courbe pression et déformation non corrigée obtenue par les essais classiques. Ainsi sur le cycle de déchargement rechargement entre les points B, C et D du graphe représenté sur la figure 6 et pour des valeurs corrigées, on détermine le module de cisaillement du terrain en place, et le module d'élasticité du terrain, dans la mesure d'une hypothèse sur le coefficient de Poisson. Les résultats pression et déformation corrigées ainsi que pression et variation de pression en fonction du temps entre 30' et 60', sont représentés sur la figure 8. On détermine la pression de fluage Pf comme le changement de pente sur le graphique pression variation de déformation. Pf correspond à la fin de la relation linéaire pression déformation, et au début de la relation non linéaire entre pression et déformation en E sur le graphe de la figure 6. référence à la figure 9, les valeurs de pression ajoutée du terme variable cohésion c que multiplie la cotangente de l'angle de frottement cotg @, et déformation corrigées qui sont au-delà de la pression de fluage, et pour un chargement monotone croissant, sont représentées en échelle logarithmique. Les résultats s'alignent le long d'une droite dont la pente est une fonction de l'angle de frottement intergranulaire et de l'angle de frottement interne du terrain, pour une valeur de la contrainte verticale simulee. On détermine la valeur de l'angle de frottement interne, par le calcul de la pente de cette droite, et par l'hypothèse d'un angle de frottement intergranulaire. Pour une valeur donnée de c.cotg 0, on obtient une pente unique de la droite et une valeur unique de l'angle de frottement interne. référence à la figure 10, la valeur de l'angle de frottement est portée en fonction de la valeur du terme c.cotg @, choisit dans le diagramme de la figure 9. Une autre valeur du terme c.cotg O conduit à une autre valeur de l'angle de frottement interne. L'ensemble de ces couples de valeur possibles, pour un essai donné l'appareil selon l'invention et donc pour une valeur donnée de la contrainte verticale simulée, évolue selon une courbe continue représentée sur la figure 10. Pour un autre essai proche avec l'appareil selon l'invention, avec une valeur de la contrainte verticale simulée différente, l'interprétation de la figure 9 conduit à une autre courbe qui représente l'ensemble des solutions possibles. Les deux courbes correspondant à l'ensemble des solutions pour les deux essais se coupent en un point unique pour lequel il y a un angle de frottement unique et une valeur unique de c.cotg 0.. La connaissance de l'angle de frottement interne permet alors de déterminer la cohésion c. Les différentes étapes du procédé selon l'invention ont été expliquées dans ce qui précède en référence à des courbes par souci de clarté. On doit comprendre cependant que toutes les opérations peuvent s'effectuer en utilisant des moyens automatiques et des circuits électroniques quelconques appropriés, que ce soit pour la commande des séquences de mesure ou la réception des signaux, leur traitement et les enregistrements, y compris l'établissement des courbes pression déformation, la recherche de la pente du cycle déchargement rechargement sur ce graphe, l'intégration des variations de déformation, la recherche de la pression de fluage, la recherche de la meilleure relation entre les logarithmes de pression et de déformation, la recherche de la solution unique en cohésion c et l'angle de frottement 0, la recherche du coefficient de perméabilité, et du coefficient de consolidation du sol. En général, on utilisera un calculateur, de type analogique ou numérique. Naturellement, bien des variantes autres que celles qui ont été signalées dans le courant de la description, peuvent être apportées à la conception de l'installation et à la mise en oeuvre du procédé, sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Revendications 1. Procédé permettant d'augmenter localement autour d'une sonde pressiométrique la contrainte verticale, caractérisé par le fait qu'il consiste à provoquer une circulation d'eau externe dans le sol autour de la sonde entre une cellule d'injection et une cellule de pompage. 2. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il se compose, d'une cellule centrale d'expansion pressiométrique entourée d'une part d'une cellule d'injection d'eau dans le sol, d'autre part d'une cellule de pompage qui permet à l'eau d'être reprise par le circuit hydraulique l'appareil selon l'invention, et de cellules de gardes pour rendre la contrainte homogène et empecher l'eau de remonter dans le forage. 3. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la mesure des pressions et débits à l'injection et au pompage donne une mesure de la perméabilité du sol. a. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on détermine le coefficient de consolidation à partir de la mesure du coefficient de perméabilité et de mesure du module d'élasticité sur le cycle déchargement rechargement de courbe d'expansion à l'appareil selon l'invention. 5. Procédé selon la revendication 1 dans lequel on détermine l'angle frottement interne du terrain pour une valeur du terme c.cotg 0 au moyen de la pente la droite reliant les logarithmes de la pression corrigée augmentée du terme c.cotg 0 et de la déformée corrigée pour des valeurs de pression au-delà de la pression fluage. s. Procédé selon la revendication 5 dans lequel l'ensemble des solutions entre l'angle de frottement et le terme c.cotg @ donne pour deux essais différents proches, à des contraintes verticales simulées différentes, une intersection unique une solution unique en terme de cohésion et d'angle de frottement interne.