Brevet FR2834791A1 — publié le 20030718

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la détermination de la force portante d'un objet (par exemple un pieu ou une palplanche) enfoncé dans le sol par vibrofonçage. D'une façon générale, on sait que l'intérêt d'un vibrofonçage d'un objet à l'aide d'un vibrateur, réside dans la diminution des forces de frottement entre cet objet et le sol en raison de la mise en vibration de l'objet. La vibration de l'objet remplace le frottement statique par un frottement dynamique environ dix fois moindre. Par ailleurs, l'enfoncement de l'objet résulte à la fois du poids de l'objet et de ses accessoires, de la force qui lui est éventuellement appliquée ainsi que de la force centrifuge des masselottes excentriques du vibrateur servant à engendrer les vibrations : L'avantage de cette solution découle de l'augmentation de la force d'enfoncement résultante et de la diminution de la force résistante exercée par le sol sur l'objet. Il s'avère que pour de nombreuses raisons, il est souhaitable de connaître avant d'effectuer des travaux importants sur un sol de connaître la force portante d'un objet enfoncé dans ce sol et ce, en profondeur dans les différentes couches de ce sol. En effet, ce paramètre intéresse non seulement l'entreprise qui a la charge d'enfoncer des objets dans le sol (pieux, palplanches, drains...) pour choisir la taille du vibrateur à employer, la fréquence et/ou l'amplitude des vibrations..., mais encore les entreprises de travaux publics qui ont la charge de réaliser des ouvrages, pour la détermination de ces ouvrages, du type d'infrastructure à utiliser, etc. En vue de déterminer cette force portante, le procédé selon l'invention consiste à enfoncer l'objet (ou un objet équivalent) dans le sol et, à au moins un niveau d'enfoncement déterminé, à stopper le processus d'enfoncement puis à exercer, sur tout ou partie de l'objet, un effort d'enfoncement allant en croissant, à détecter le seuil d'effort à partir duquel on obtient un déplacement dudit objet ou de ladite partie et à déduire de ce seuil d'effort, une valeur correspondant à la force portante statique de l'objet. Selon une première variante d'exécution de l'invention, l'enfoncement de l'objet dans le sol est effectué à l'aide d'un vibrateur dont on peut faire varier la force centrifuge. Dans ce cas, pour au moins un niveau d'enfoncement pour lequel on n'observe pas de refus d'enfoncement de l'objet dans les conditions normales de fonctionnement du vibrateur, le procédé selon l'invention consistera à faire varier la force centrifuge appliquée à l'objet, à déterminer un seuil de force centrifuge marquant le passage d'un refus à un début d'enfoncement et à relever un paramètre représentatif de cette force centrifuge (amplitude, fréquence des masselottes,...) et à calculer une force portante statique en multipliant le paramètre relevé par un coefficient de proportionnalité force statique/force dynamique. Dans le cas d'un refus d'enfoncement, on pourra se contenter de relever la force centrifuge appliquée à l'objet en fin d'enfoncement et à déduire la force portante statique de la force centrifuge précédemment relevée, étant entendu que la force portante statique est proportionnelle à la force centrifuge exercée au moment du refus. Bien entendu, la variation de la force centrifuge pourra être obtenue par une variation de la fréquence des vibrations. Néanmoins, dans la mesure où l'on dispose d'un vibrateur à moment variable, on aura intérêt à faire varier la force centrifuge en faisant varier le moment d'excentricité et en maintenant la fréquence constante notamment pour éviter les vibrations parasites. Avantageusement, la mesure de la fréquence des vibrations de même que la détermination du moment vibratoire et/ou de l'amplitude des vibrations (laquelle est une mesure directe de la force centrifuge) seront effectuées par un dispositif de mesure faisant intervenir un accéléromètre et un système de lecture. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé précédemment décrit, le susdit objet à enfoncer dans le sol pourra comprendre deux éléments, à savoir : un premier élément rigide directement en prise avec le vibrateur et un deuxième élément guidé le long du premier élément, des moyens étant prévus pour assurer un blocage axial commandable du second élément sur le premier et pour exercer une force variable tendant à déplacer le deuxième élément par rapport au premier dans un sens opposé au sens d'enfoncement. Dans ce cas, le procédé selon l'invention pourra comprendre les étapes suivantes : e la solidarisation des deux éléments grâce au moyen de blocage commandable, gb le fonçage des deux éléments ainsi solidarisés au moyen du vibrateur jusqu'à une profondeur déterminée, * la désolidarisation des deux éléments et le relèvement du premier élément d'une hauteur prédéterminée, sous l'action des vibrations exercées par le vibrateur, * l'application de la susdite force entre les deux éléments en l'accroissant jusqu'à ce que l'on obtienne un déplacement du deuxième élément par rapport au premier jusqu'à ce qu'il retourne à sa position initiale sur le premier élément, . la mesure de la force qui a provoqué le déplacement et qui correspond à la force de frottement exercée par le sol sur la surface du second élément et le calcul de la portance du deuxième élément, * la répétition éventuelle de ce processus jusqu'à ce que l'on ait atteint la profondeur désirée, * le calcul de la somme des portances calculées à chacune des profondeurs de manière à obtenir la portance totale. Des modes d'exécution de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : Les figures 1 et 2 représentent en vue de face (figure 1) et en vue de côté (figure 2) un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention utilisant un système à vérin pour exercer la susdite force ; Les figures 3 à 5 sont des vues de côté du dispositif représenté figure 1, illustrant le principe du procédé selon l'invention ; La figure 6 est une courbe de pression en fonction du temps, du fluide hydraulique des vérins faisant apparaître l'instant de déclenchement du glissement ; La figure 7 est une représentation schématique montrant plusieurs cycles de mesure successifs, effectués depuis une profondeur de trois mètres jusqu'à une profondeur de dix mètres ; Les figures 8 et 9 sont des vues de face (figure 8) et de côté (figure 9) d'une variante du dispositif selon l'invention utilisant un système à treuils et à câbles au lieu des vérins. Dans l'exemple illustré sur les figures 1 à 4, le procédé selon l'invention s'applique à la détermination de la force portante d'un pieu tubulaire 1 de section circulaire enfoncé dans le sol au moyen d'un vibrateur classique 2 comprenant : - un train de masselottes excentrées 3 montées rotatives à l'intérieur d'un boîtier 4 et entraînées par une motorisation portée par le boîtier ; - un dispositif de suspension 5 du boîtier 4 par exemple sur le crochet d'une grue ; - une pince hydraulique 6 solidaire du boîtier 4 qui sert à assurer la fixation du vibrateur sur l'extrémité supérieure du pieu 1 à enfoncer. Dans l'extrémité inférieure de ce pieu tubulaire 1 s'engage télescopiquement et est fixé un tube de guidage 7 qui prolonge le pieu 1 sur une longueur prédéterminée. Sur ce tube de guidage 7 s'engage télescopiquement et est monté coulissant un tube navette 8 de diamètre sensiblement égal au diamètre du pieu 1. Les déplacements relatifs du tube navette 8 par rapport au pieu tubulaire 1 sont assurés par deux vérins hydrauliques VI, V2 prenant chacun appui sur le pieu 1 et sur le tube navette 8. Ces deux vérins VI, V2, qui sont axés parallèlement à l'axe longitudinal du pieu 1, sont diamétralement opposés par rapport audit axe. Chaque vérin est logé dans un carter de protection 10 solidaire du tube navette 8 et monté coulissant le long du pieu 1. Ces vérins VI, V2, de type à double effet, peuvent prendre deux positions, à savoir : - une position fermée dans laquelle l'extrémité supérieure du tube navette 8 vient en butée contre l'extrémité inférieure du pieu 1 (position représentée figure 3) de manière à assurer une transmission des vibrations entre le pieu 1 et le tube navette 8 ; cette position est utilisée pour effectuer le fonçage de l'ensemble pieu 1/tube navette 8 ; - une position ouverte dans laquelle le tube navette 8 se trouve écarté du pieu 1 d'une distance égale à la course des vérins VI, V2, cette distance restant inférieure à la longueur du tube guide dépassant du pieu (figure 4). A titre indicatif, le pieu 1 pourra présenter une longueur de l'ordre de 10 m et une section intérieure de 300 mm, le guide tube 7 pourra présenter une longueur de l'ordre de 1, 2 m et une section extérieure sensiblement égale à 300 mm. Le tube navette 8 peut présenter une longueur de 1 m et une section intérieure sensiblement égale à 300 mm. La course des vérins Vil, V2 pourra être égale à 0,5 m. Tel qu'illustré sur ces figures, le mode de fonctionnement est le suivant : Dans un premier temps, on procède à une première phase d'enfoncement de l'ensemble pieu 1/tube navette 8 à l'aide du vibrateur. Cette première phase a pour but d'atteindre une profondeur appropriée (par exemple 3 m) pour que les forces de frottement exercées par la terre sur le pieu 1 soient suffisantes pour que le pieu 1 puisse jouer son rôle de tube de réaction. Au-dessus de cette profondeur, l'action des vérins V], V2 sur le tube navette, risque d'enfoncer le pieu 1 au lieu de soulever le tube navette 8. Bien entendu, cette profondeur sera variable en fonction des données géologiques pouvant par exemple concerner la continuité des couches. Au cours de cette première phase d'enfoncement, les vérins VI, V sont en position fermée, le tube navette 8 étant en butée sur le pieu 1 de manière à obtenir un vibrofonçage normal. Au cours d'une seconde phase (figure 4), on libère les vérins VI, V2 et on effectue sur le pieu 1 une traction pour le remonter d'environ 50 cm. Les vérins étant libres, le tube navette 8 ne vibre pas et il reste alors en place. Au cours d'une troisième phase, on déclenche la mesure en mettant progressivement les vérins Vi, V en pression dans le sens de la remontée du tube navette 8 vers le pieu 1. On procède alors au relevé de la valeur de la pression qui provoque le déclenchement du glissement du tube navette 8 sur le tube guide 7. Cette lecture permet de déduire la force exercée par les deux vérins V 1, V 2, laquelle correspond à la force de frottement exercée par le sol sur la surface du tube navette 8. La mise en pression progressive des vérins pourra s'effectuer au moyen d'une alimentation auxiliaire à très faible débit constant. Dans ce cas, la représentation de la courbe de pression en fonction du temps (figure 6) permet de visualiser facilement la pression de déclenchement du glissement. En effet, en l'absence de glissement, la pression monte régulièrement puis se stabilise dès que le glissement se produit. Une fois cette mesure effectuée, on entame une quatrième étape (figure 6) consistant à fermer à nouveau les vérins pour amener le tube navette 8 au contact du pieu 1 (et les maintenir en pression) puis à effectuer une nouvelle étape de fonçage par le vibrateur pour amener l'ensemble pieu 1/tube navette 8 à un deuxième niveau de profondeur, par exemple de 4 m. On libère ensuite les vérins Vu, V2 puis on remonte en vibrant le pieu à un niveau intermédiaire, par exemple de 50 cm, en laissant en place le tube navette. On effectue ensuite une mesure similaire à la précédente en augmentant progressivement la pression des vérins et en relevant la pression qui provoque un début de coulissement du tube navette. Une fois cette mesure effectuée, on referme les vérins. Le dispositif est alors prêt à effectuer un nouveau cycle de mesure. Ce processus se répète par paliers successifs contigus jusqu'à ce que l'on ait atteint la profondeur maximale souhaitée. La figure 7 montre trois cycles de mesure CI, C2, C3 respectivement à 3 m, 4 m et 10 m. La somme des portances expérimentales relevées à chaque profondeur permet alors d'obtenir la portance totale du pieu. Le dernier cycle de mesure effectué à la profondeur maximale souhaitée (cycle au cours duquel le pieu initialement foncé à cette profondeur maximale est remonté à un niveau intermédiaire (ici 9,5 m)) peut être complété par une étape supplémentaire consistant à ramener par fonçage le pieu 1 à la profondeur maximale (ici 10 m) et à mesurer la valeur de la poussée des vérins VI, V2 vers le bas, nécessaire pour provoquer un début de déplacement vers le bas du tube navette 8. Cette étape supplémentaire C4 permet de mesurer à la fois la contribution à la portance par frottement latéral et par résistance en pointe. Plus précisément, la somme des doubles de chaque force mesurée donne la totalité du frottement latéral sur le pieu 1, frottement auquel on ajoute la réaction en pointe pour obtenir la force portante réelle. Une fois que l'on a déterminé la force portante réelle du pieu 1 utilisé pour les besoins de la mesure, il est possible de déterminer la force portante de pieux de dimensions voisines, étant entendu que la force portante d'un pieu est proportionnelle à sa surface en contact avec le sol et donc, à longueurs égales et situations similaires, à son diamètre. Dans les exemples précédemment décrits, la mesure de l'enfoncement du pieu dans le sol est obtenue au moyen d'une graduation G portée par le pieu 1 (pouvant par exemple consister en des marques inscrites sur le pieu tous les mètres ou les 50 cm). Bien entendu, l'invention ne se limite pas à cette disposition. Ainsi, cette mesure pourra être assurée au moyen d'un dispositif de mesure électronique, de manière à pouvoir obtenir un fonctionnement automatique du système. Ainsi, on pourra utiliser un câble monté sur un enrouleur instrumenté dont l'extrémité libre est fixée à l'extrémité inférieure du pieu. L'enrouleur peut être alors connecté à un processeur conçu de manière à déterminer la profondeur (éventuellement en fonction du temps) à partir des informations délivrées par l'enrouleur. Il sera également possible d'utiliser un télémètre laser fixé sur le boîtier d'accrochage du vibrateur et de pointer une cible réfléchissante solidaire du sol. Dans l'exemple représenté sur les figures 8 et 9, l'actionnement du tube navette est assuré non plus par des vérins mais par deux câbles CAl, CA2 venant s'enrouler sur deux treuils respectifs Th T 2 portés par la pince hydraulique 6 de part et d'autre de l'extrémité supérieure du pieu 1. Ces deux câbles CAl, CA2 passent dans deux tubes de protection Pl, P2 disposés le long du pieu l avant de venir se fixer par leurs extrémités libres en deux points diamétralement opposés du tube navette 8. Bien entendu, les treuils pourront être instrumentés de manière à fournir une information relative à la profondeur d'enfoncement du pieu. Revendications 1. Procédé pour la détermination de la force portante d'un objet (1) enfoncé dans le sol à l'aide d'un vibrateur (2), caractérisé en ce qu'il consiste à enfoncer l'objet (1), ou un équivalent de cet objet, dans le sol puis, à au moins un niveau d'enfoncement déterminé, à stopper le processus d'enfoncement, à exercer, sur tout ou partie de l'objet (1) ou de son équivalent, un effort dans l'axe d'enfoncement allant en croissant, à détecter le seuil d'effort à partir duquel on obtient un déplacement dudit objet (1) ou de ladite partie (8) et à déduire de ce seuil d'effort, une valeur correspondant à la force portante statique de l'objet. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enfoncement de l'objet (1) dans le sol est effectué à l'aide d'un vibrateur (2) dont on peut faire varier la force centrifuge, et en ce que, pour au moins un niveau d'enfoncement pour lequel on n'observe pas de refus d'enfoncement de l'objet (1) dans les conditions normales de fonctionnement du vibrateur, on fait varier la force centrifuge appliquée à l'objet (1), on détermine un seuil de force centrifuge marquant le passage d'un refus à un début d'enfoncement, on relève un paramètre représentatif de cette force centrifuge et on calcule la force portante statique en multipliant le paramètre relevé par un coefficient de proportionnalité force statique/force dynamique. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'en cas de refus d'enfoncement, on relève la force centrifuge appliquée à l'objet (1) en fin d'enfoncement et on déduit la force portante statique de la force centrifuge précédemment relevée, la force portante statique étant proportionnelle à la force centrifuge exercée au moment du refus. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la variation de la force centrifuge est obtenue par une variation de la fréquence des vibrations. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on utilise un vibrateur à moment variable (2), et en ce que la variation de la force centrifuge est obtenue par une variation du moment d'excentricité. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mesure de la fréquence des vibrations et/ou la détermination du moment vibratoire et/ou de l'amplitude des vibrations sont effectuées par un dispositif de mesure faisant intervenir un accéléromètre. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'objet (1) à enfoncer dans le sol comprend un premier élément rigide en prise avec le vibrateur et un deuxième élément (8) guidé le long de l'extrémité inférieure du premier élément, des moyens d'actionnement (V}, V2) étant prévus pour assurer le blocage axial commandable du second élément (8) sur le premier et pour exercer une force variable tendant à déplacer le deuxième élément (8) par rapport au premier dans un sens opposé au sens d'enfoncement. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : e la solidarisation des deux éléments (1, 8) grâce au moyen de blocage commandable, le fonçage des deux éléments (1, 8) ainsi solidarisés au moyen du vibrateur (2) jusqu'à une profondeur déterminée, 'la désolidarisation des deux éléments (l, 8) et le relèvement du premier élément (l) d'une hauteur prédéterminée, sous l'action des vibrations exercées par le vibrateur, * l'application de la susdite force entre les deux éléments (l, 8) en l'accroissant jusqu'à ce que l'on obtienne un déplacement du deuxième élément (8) par rapport au premier (1) jusqu'à ce qu'il retourne à sa position initiale relative bloquée sur le premier élément (1), . la mesure de la force qui a provoqué le déplacement et qui correspond à la force de frottement exercée par le sol sur la surface du second élément (8) et le calcul de la portance du deuxième élément (8), * la répétition éventuelle de ce processus jusqu'à ce que l'on ait atteint la profondeur désirée, * le calcul de la somme des portances calculées à chacune des profondeurs de manière à obtenir la portance totale. 9. Procédé selon l'une des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il comprend la détermination de la force portante pour une succession de profondeurs d'enfoncement, et en ce qu'il comprend la somme des portances relevées à chacune de ces profondeurs de manière à obtenir la portance totale de l'objet. 10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend une étape supplémentaire consistant à effectuer, lorsque l'objet se trouve à la profondeur maximale, la mesure de la valeur de la poussée exercée par les susdits moyens d'actionnement (VI, V2) vers le bas, nécessaire pour provoquer un début de déplacement vers le bas du susdit deuxième élément (8) de manière à pouvoir mesurer à la fois la contribution à la portance par frottement latéral et par résistance en pointe. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'on déduit de la force portante du susdit objet, la force portante d'autres objets de dimensions voisines en fonction du rapport de la surface de contact avec le sol dudit objet et desdits autres objets. 12. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un premier élément rigide (1) en prise avec un vibrateur et un deuxième élément mobile (8) guidé le long de l'extrémité inférieure du premier élément (1) ainsi que des moyens d'actionnement (VI, V2) prévus pour assurer le blocage axial commandable du second élément (8) sur le premier (1) et pour exercer une force variable tendant à déplacer le deuxième élément (8) par rapport au premier (1) dans un sens opposé au sens d'enfoncement, des moyens étant prévus pour détecter le début de déplacement du deuxième élément et pour mesurer la force exercée pour obtenir ce début d'enfoncement. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les susdits moyens d'actionnement comprennent au moins un vérin (V}, V2). 14. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que les susdits moyens d'actionnement comprennent au moins un treuil (Tj, Tz) solidaire du premier élément (1) et un câble (CAl, CAz) qui s'enroule sur ce treuil (tel, T2) et dont l'une des extrémités est fixée sur le second élément (8). 15. Dispositif selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que le susdit premier élément (1) présente une forme tubulaire, et en ce que le second élément (8) de forme tubulaire est monté coulissant sur un tube de guidage (7) s'engageant télescopiquement dans l'extrémité inférieure du premier élément et fixé à celui-ci. 16. Dispositif selon l'une des revendications 12 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mesure de l'enfoncement dudit objet (1). 17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que les moyens de mesure consistent en une graduation portée par le premier élément (1). 18. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que les susdits moyens de mesure comprennent un câble monté sur un enrouleur instrumenté. 19. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que les susdits moyens de mesure comprennent un télémètre laser solidaire du premier élément (1) et pointant une cible réfléchissante solidaire du sol.