Brevet FR2817344A1 — publié le 20020531

La présente invention concerne un pénétromètre dynamique à énergie variable. La détermination de la densité d'un sol peut se faire, de manière pratique, grâce à un pénétromètre. De manière générale, un pénétromètre comprend une tête de battage, sur laquelle est fixé un train de tiges et une sonde conique normalisée fixée à l'extrémité inférieure du train de tiges. Le fonctionnement du pénétromètre repose sur le principe consistant à fournir une énergie à la tête de battage. Cette énergie est transmise par le train de tiges à la sonde conique qui s'enfonce alors dans le sol d'une profondeur dépendant de la densité du sol. Au fur et à mesure de l'enfoncement de la sonde, des tiges sont ajoutées sous la tête du battage. Connaissant l'énergie fournie au pénétromètre, la valeur du déplacement de la sonde et la section de la sonde, il devient possible de déterminer le taux de compacité du sol. De manière classique, l'énergie transmise au pénétromètre est fournie par la chute d'une masse constante, d'une hauteur constante. L'énergie fournie est donc constante et est fixée de manière intangible. Ce type de pénétromètre toutefois présente, à l'usage, certains inconvénients. Il faut notamment s'assurer que la chute de la masse s'effectue selon une direction parfaitement verticale. Si cette condition n'est pas remplie, la mesure sera entachée d'une erreur plus ou moins importante selon le degré d'inclinaison par rapport à l'axe vertical. En outre, les pénétromètres de ce type sont des appareils relativement lourds pour lesquels l'énergie est fournie par une masse pouvant être de l'ordre de 40 à 60 kg ayant une hauteur de chute de l'ordre de 70 cm à 1 m. Ces caractéristiques rendent les pénétromètres de ce type difficiles à transporter et à mettre en oeuvre. Un autre type de pénétromètre a été développé pour pallier à ces inconvénients. Contrairement aux pénétromètres à énergie fixe, ce pénétromètre fonctionne avec une énergie variable. L'énergie est fournie au pénétromètre par un opérateur qui frappe sur la tête de battage à l'aide d'un marteau calibré. La mesure de cette énergie, qui varie aléatoirement d'un coup à l'autre, est réalisée par un dispositif placé à l'intérieur de la tête de battage. Ce dispositif comprend un piston sur lequel vient frapper le marteau calibré. Ce piston est susceptible de se déplacer à l'intérieur d'un cylindre. Lorsque l'opérateur frappe sur la tête de battage, le piston s'enfonce et un capteur de vitesse mesure la vitesse à laquelle le piston arrive en position basse, c'est-à-dire en butée au fond du cylindre. Lorsque le piston est buté, il transmet au pénétromètre l'énergie cinétique qu'il a reçu lors du choc. La vitesse du piston, mesurée par le capteur de vitesse, permet de déterminer l'énergie fournie au pénétromètre. Cette énergie est égale à la moitié du produit de la masse du système par le carré de la vitesse. La masse du système est égale à la somme de la masse du marteau, de la tête de battage et du train de tige. La vitesse est mesurée par un capteur. Ces deux grandeurs sont transmises à un calculateur qui détermine alors l'énergie transmise au pénétromètre. Ce dernier type de pénétromètre est globalement satisfaisant et permet de réaliser des mesures de compacité de terrain avec un bon degré de fiabilité. Toutefois, sur certains points, ces pénétromètres à énergie variable ne donnent pas entièrement satisfaction. Notamment, ils ne fonctionnent qu'avec une masse spécifique au pénétromètre, cette masse étant inscrite dans les données initiales du calculateur. En outre, il est nécessaire de déclarer, au calculateur, l'ajout d'une nouvelle tige puisque toute nouvelle tige accroît la masse globale du pénétromètre. Par ailleurs, ces pénétromètres peuvent présenter une certaine fragilité au niveau de la tête de battage. En effet, la tête de battage reçoit des chocs qui peuvent endommager le capteur de vitesse ou le ressort qui fait remonter le piston après un choc. Un but de l'invention est donc de proposer un procédé de mesure et un pénétromètre mettant en oeuvre ce procédé qui présente une robustesse permettant son utilisation intensive tout en fournissant des mesures d'une meilleure précision que les pénétromètres de l'art antérieur. A cet effet, le procédé selon l'invention, met en oeuvre de manière connue en soi, un pénétromètre comprenant une tête de battage réalisée dans un matériau à haut module d'élasticité, une sonde conique et au moins une tige reliant la tête de battage à la sonde conique et consiste à transmettre une énergie à la tête de battage par un choc. Selon l'invention, ce procédé consiste à déterminer l'énergie reçue par le pénétromètre après le choc, par la mesure de la déformation d'au moins un élément constitutif de la tête de battage, cette déformation étant traduite par un signal électrique représentatif de l'énergie reçue. Ce procédé de mesure de compacité du sol permet de réaliser une mesure de l'énergie effectivement reçue par le pénétromètre, lors du choc transmettant une énergie à la tête de battage. Les avantages de ce procédé sont donc qu'il n'est ni nécessaire d'utiliser un marteau de masse standard pour procéder à l'enfoncement de la sonde, ni nécessaire de tenir compte du nombre de tiges mises en oeuvre au cours d'un essai de compacité du sol. Les essais de compacité du sol s'en trouvent donc considérablement simplifiés. Avantageusement, le procédé selon l'invention est mis en oeuvre par un pénétromètre dont la tête de battage présente au moins une striction de sa section, définissant au moins un évidement annulaire, sur laquelle est disposée au moins une jauge de contrainte dont la déformation, sous le choc, se traduit par un signal électrique variant proportionnellement à l'intensité du choc. Les jauges de contrainte collées sur une zone de la tête de battage, dont la section est rétrécie, présentent une résistance dont la valeur varie en fonction de la déformation de la tête de battage. Le signal électrique, appliqué aux jauges de contrainte, varie donc proportionnellement à l'intensité du choc et permet de déduire la valeur de l'énergie transmise à la tête de battage. De préférence, quatre jauges de contrainte montées en pont de Wheatstone sont disposées sur la surface de l'évidement annulaire. De manière avantageuse, au droit de l'évidement annulaire, la tête de battage présente un diamètre d'environ 15 mm. La réduction de la tête de battage, à un diamètre de 15 mm, permet de réaliser un bon compromis entre la résistance du choc de la tête de battage et l'aptitude de celle-ci à se déformer sous le choc. Selon un autre mode de réalisation de ce pénétromètre, la tête de battage est scindée en une partie inférieure et une partie supérieure entre lesquelles est interposé un capteur piézoélectrique, dont la déformation, sous un choc, génère un signal électrique proportionnel à l'intensité du choc. Le capteur piézoélectrique utilise un matériau tel qu'un quartz qui crée une différence de potentiel proportionnelle à l'intensité de la face à laquelle il est soumis. L'interposition d'un capteur de ce type, entre une partie supérieure et une partie inférieure de la tête de battage, permet donc de déterminer l'énergie reçue par la tête de battage, à partir de la variation de la différence de potentiel consécutive à un choc mécanique. Selon encore un autre mode de réalisation de ce pénétromètre, la tête de battage présente un accéléromètre émettant un signal électrique proportionnel à l'intensité du choc. Avantageusement, l'accéléromètre comprend un élément de mesure choisi parmi le groupe comprenant une jauge de contrainte et un capteur piézoélectrique, interposé entre la surface de la tête de battage et une masse sismique. L'énergie est mesurée en utilisant le principe selon lequel la tête de battage subit une accélération qui met en mouvement une masse sismique. La masse sismique exerce alors une contrainte sur la jauge de contrainte ou le capteur piézoélectrique, ce qui produit une variation de signal électrique auquel ils sont soumis. De manière avantageuse, le signal électrique proportionnel à l'énergie reçue par le pénétromètre lors du choc est transmis à un calculateur qui acquiert simultanément la mesure de l'enfoncement de la sonde. Le calculateur acquiert, simultanément, un signal électrique proportionnel à l'énergie et la mesure de l'enfoncement consécutive au choc. La compacité du sol peut alors se déduire comme étant l'énergie reçue par le pénétromètre divisée par le produit de la section de la sonde par l'enfoncement mesuré de la sonde. Pour sa bonne compréhension, l'invention est décrite en référence au dessin annexé représentant, à titre d'exemples non limitatifs, trois formes de réalisation de ce pénétromètre, représentées en coupe longitudinale aux figures 1 à 3. Par simplification, les éléments qui se retrouvent dans chacune des trois formes de réalisation sont désignés par les mêmes références numériques. De manière commune aux trois modes de réalisation, le pénétromètre comprend une tête de battage 1, une sonde conique 2 et un train de tige 3. La tête de battage 1 se présente sous la forme d'un élément sensiblement cylindrique réalisé en acier à haut module d'élasticité. La partie supérieure 4 de la tête de battage 1 présente une surface arrondie. La partie inférieure 5 de la tête de battage 1 comprend un perçage 6 dont la face intérieure présente un taraudage. Une poignée de maintien 7 enserre la tête de battage. Le train de tiges 3 est constitué de plusieurs tiges 8. Chacune des tiges 8 comprend une extrémité présentant un filetage 9 et une extrémité présentant un perçage taraudé 10. La surface de chacune des tiges présente un repère optique 11. La sonde 2 présente un cylindre comprenant un perçage 12, sur lequel est accolé un cône 13. La mise en oeuvre du pénétromètre s'effectue en vissant une tige 8 dans le perçage 6 de la tête de battage. La sonde est ensuite placée à l'extrémité de la tige 8. Le pénétromètre ainsi assemblé est placé à la verticale, la sonde étant pointée vers le sol dont on souhaite connaître les caractéristiques de compacité. A l'aide d'une masse quelconque, un opérateur vient frapper sur la partie supérieure 4 de la tête de battage. La surface arrondie de celle-ci permet d'absorber les éventuels défauts d'alignement des coups assenés par l'opérateur. L'énergie transmise par ce choc quasi élastique se traduit par un enfoncement de la sonde plus ou moins important selon le degré de compacité du terrain. Lorsque le pénétromètre est enfoncé d'une longueur égale à la longueur d'une tige 8, la tête de battage 1 est désolidarisée du train de tige 3. Une autre tige 8 est alors ajoutée au train de tige 3, afin de permettre la poursuite de l'essai. Au cours de l'essai, un capteur optique non représenté sur les figures posé sur le sol, mesure l'enfoncement de la sonde en détectant le passage des repères optiques après chaque coup sur la tête de battage. La mesure de l'enfoncement qui suit chaque coup est transmise à un calculateur. Selon un mode de réalisation représenté à la figure 1, la tête de battage présente une section rétrécie 15 qui définit un évidement annulaire 16. Quatre jauges de contrainte 17 disposées selon un pont de Wheatstone, sont collées à la surface de la section rétrécie 15. Un élément annulaire 19 assure la protection des jauges de contrainte. Un conducteur 18 relie les jauges de contraintes 17 au calculateur. La mesure de l'énergie reçue par la tête de battage 1, lors d'un choc, est réalisé de la manière suivante. L'opérateur assène un coup sur la tête de battage à l'aide d'un marteau ou d'un dispositif de battage de masse quelconque. Le choc étant quasi élastique, l'énergie, qui est transmise dans sa totalité à la tête de battage 1, produit une déformation de celle-ci. Cette déformation est mesurée par les jauges de contraintes 17 dont la résistance électrique varie en fonction de la déformation. Cette variation de résistance électrique est transmise au calculateur qui, après traitement, déduit la valeur de l'énergie reçue par la tête de battage. La mesure de l'enfoncement étant simultanément transmise par le capteur optique. Le calculateur détermine le degré de compacité du sol par la formule : E ad = Axe où ad est la résistance de pointe du sol E est l'énergie reçue par le pénétromètre A est la section de la sonde e enfoncement consécutif du choc. La figure 2 représente un mode de réalisation dans lequel la tête de battage est scindée en une partie supérieure 21 et une partie inférieure 22 entre lesquelles est interposé un capteur piézoélectrique 24. Le capteur 24 est relié par un conducteur 18 à un calculateur. La mesure de l'énergie reçue par la tête de battage est la suivante. Le capteur piézoélectrique 24 est constitué d'un matériau de type quartz qui crée une différence de potentiel proportionnelle à l'intensité de la face à laquelle il est soumis. Cette variation de différence de potentiel est transmise au calculateur qui, après traitement, déduit la valeur de l'énergie reçue par la tête de battage 1. La mesure de la compacité du sol est alors obtenue de la même manière que décrit précédemment. La figure 3 représente un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel un accéléromètre 28 est disposé à la surface de la tête de battage. L'accéléromètre comprend un élément de mesure tel qu'une jauge de contrainte ou un capteur piézoélectrique qui, interposé entre la surface de la tête de battage, est une masse sismique. Un conducteur 29 relie l'accéléromètre au calculateur. La mesure de l'énergie reçue par la tête de battage, selon ce mode de réalisation, est la suivante. Sous le choc de la masse percutant la tête de battage, la masse sismique subit une accélération et exerce une contrainte sur l'élément de mesure. L'élément de mesure produit un signal électrique proportionnel à la valeur de la charge qui est transmise au calculateur. Après traitement, le calculateur déduit la valeur de l'énergie reçue par la tête de battage 1. La mesure de la compacité du sol est alors obtenue de la même manière que décrit précédemment. Comme il ressort de ce qui précède, ce pénétromètre présente de nombreux avantages. Notamment, l'utilisation de ce pénétromètre n'exige pas de masse calibrée et fournit des mesures particulièrement fiables. Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus à titre d'exemple mais qu'elle en embrasse au contraire toutes les formes de réalisation. C'est ainsi notamment que les jauges de contrainte pourraient être disposées dans plusieurs cavités radiales ménagées dans la tête de battage décalées angulairement les unes des autres. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de la compacité d'un sol, mettant en oeuvre un pénétromètre comprenant une tête de battage (1) réalisée dans un matériau à haut module d'élasticité, une sonde conique (2) et au moins une tige (8) reliant la tête de battage (1) à la sonde conique (2), consistant à transmettre une énergie à la tête de battage par un choc, caractérisé en ce que ce procédé consiste à déterminer l'énergie reçue par le pénétromètre après le choc, par la mesure de la déformation d'au moins un élément constitutif de la tête de battage, cette déformation étant traduite par un signal électrique représentatif de l'énergie reçue. 2. Pénétromètre permettant la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête de battage (1) présente au moins une striction annulaire (15) de sa section définissant au moins un évidement annulaire (16), sur laquelle est disposée au moins une jauge de contrainte dont la déformation, sous le choc, se traduit par un signal électrique variant proportionnellement à l'intensité du choc. 3. Pénétromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que quatre jauges de contrainte montées en pont de Wheatstone sont disposées sur la surface de l'évidement annulaire. 4. Pénétromètre selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que, au droit de l'évidement annulaire, la tête de battage (1) présente un diamètre d'environ 15 mm. 5. Pénétromètre pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête de battage (1) est scindée en une partie inférieure (21) et une partie supérieure (22) entre lesquelles est interposé un capteur piézoélectrique (23), dont la déformation, sous un choc, génère un signal électrique proportionnel à l'intensité du choc. 6. Pénétromètre pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tête de battage (1) présente un accéléromètre (28) émettant un signal électrique proportionnel à l'intensité du choc. 7. Pénétromètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'accéléromètre comprend un élément de mesure choisi parmi le groupe comprenant une jauge de contrainte et un capteur piézoélectrique, interposé entre la surface de la tête de battage et une masse sismique. 8. Pénétromètre selon l'une des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le signal électrique proportionnel à l'énergie reçue par le pénétromètre lors du choc est transmis à un calculateur qui acquiert simultanément la mesure de l'enfoncement de la sonde.