Brevet FR2933495A1 — publié le 20100108

L'invention est relative à une cellule d'essais de géomatériaux sur des échantillons cylindriques, notamment de roches, de sols, ou des matériaux fabriqués sur des sites de prélèvement. En particulier, la cellule permettra de soumettre l'échantillon au 5 moins à une compression simple ou encore de soumettre l'échantillon à un essai triaxial. Dans le domaine des géomatériaux, on connaît des cellules triaxiales, telles que par exemple enseignées du document FR-2.663.121, qui permettent de soumettre un échantillon cylindrique à différentes conditions de 10 pression, de chargement, de température et de drainage. La cellule et l'échantillon sont à cet effet instrumentés de différents capteurs, tels que par exemple capteurs de pression, de température, de déplacement. La cellule triaxiale comprend généralement un corps de cellule avec une cavité interne formant une chambre étanche à l'intérieur de laquelle 15 est placé l'échantillon cylindrique, verticalement. Un circuit hydraulique, de mise en pression ou de vidange contrôlée est relié à la chambre étanche afin de soumettre la paroi latérale de l'échantillon à une contrainte radiale sous la pression d'un fluide. Bien souvent, cette contrainte est appliquée au travers d'une enveloppe élastique qui épouse et protège la paroi latérale de 20 l'échantillon. Dans la chambre étanche, un plateau inférieur et un plateau supérieur peuvent être rapprochés ou écartés l'un de l'autre pour contraindre l'échantillon selon son axe longitudinal, ou au contraire le décharger. Le plateau inférieur peut être fixe par rapport au bâti constitué 25 par une embase inférieure du corps de cellule, le plateau supérieur contraint au déplacement sous l'action d'un piston apte à coulisser au travers de la paroi supérieure du corps. Lors des essais, il est ainsi possible de soumettre l'échantillon à une compression simple ou encore à un essai triaxial dans lequel on 30 compresse l'échantillon selon son axe longitudinal et simultanément on exerce une contrainte radiale sur la paroi latérale de l'échantillon, sous l'action d'un fluide. Dans le cas d'un essai triaxial notamment, il est également possible de soumettre l'échantillon à des conditions de drainage afin d'étudier sa perméabilité. Pour les tests de chargement/compression, voire de perméabilité, il peut être intéressant d'étudier un échantillon fissuré. Aujourd'hui, afin d'obtenir l'échantillon fissuré, on brise l'échantillon préalablement à la phase de test, créant ainsi artificiellement la fissure. En pratique, on casse l'échantillon en deux et on le reconstitue dans la cellule d'essai. Il est à noter que l'on maîtrise assez mal la naissance de la fissure sur l'échantillon. Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients précités en proposant une cellule d'essai permettant de fissurer in situ l'échantillon. Un autre but de la présente invention est de pouvoir contrôler au moins aux extrémités de l'échantillon les positions de la fissure. Un autre but de la présente invention est de proposer une cellule permettant au moins de soumettre l'échantillon à un essai de compression simple. Un autre but de la présente invention est de proposer une cellule permettant de soumettre l'échantillon à un essai triaxial. Un autre but de la présente invention est de proposer une cellule permettant d'effectuer des tests de perméabilité sur l'échantillon fissuré. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter. L'invention est relative à une cellule d'essai de géomatériaux sur des échantillons cylindriques, notamment de roches, de sols, ou des matériaux fabriqués sur des sites de prélèvement, comprenant au moins un piston pour soumettre un échantillon à une contrainte dirigée selon l'axe longitudinal de l'échantillon. Selon l'invention, la cellule présente, en outre, des moyens de cisaillement de l'échantillon aptes à permettre la fissuration de l'échantillon lors de la compression de l'échantillon par ledit au moins un piston. Avantageusement, lesdits moyens de cisaillement peuvent être constitués par deux éléments déformables de manière hétérogène, placés sous l'action dudit au moins un piston, respectivement en contact avec les bases de l'échantillon. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée des dessins en annexe parmi lesquels : - la figure 1 est une vue selon une coupe verticale d'une 10 cellule, conforme à l'invention, selon un mode de réalisation, notamment une cellule d'essai triaxiale polyvalente, - la figure 2 est une vue d'un élément déformable, conforme à l'invention, selon un mode de réalisation, substantiellement constitué de deux moitiés dans des matériaux de modules d'élasticité différents, 15 - la figure 3 et la figure 4 sont des vues de coupe de l'échantillon pris en sandwich par deux éléments déformables, tels qu'illustrés à la figure 2, selon deux positions angulaires relatives entre éléments. L'invention est relative à une cellule 1 d'essai géomatériaux sur des échantillons, notamment de roches de sols ou des matériaux fabriqués sur 20 des sites de prélèvement. II peut s'agir d'une cellule d'essai permettant uniquement des essais de compression simple ou encore une cellule d'essai triaxiale. La cellule 1 comprend au moins un piston 4, 5 pour soumettre un échantillon 2 cylindrique à une contrainte dirigée selon l'axe longitudinal de 25 l'échantillon 2. Selon l'invention, la cellule 1 présente, en outre, des moyens 7 de cisaillement de l'échantillon aptes à permettre la fissuration de l'échantillon lors de la compression de l'échantillon 2 par ledit au moins un piston. L'intérêt de l'invention réside dans le fait de créer la fissure lors 30 de la compression de l'échantillon par ledit piston 4, 5. Après la création de la fissure dans le cas d'un essai triaxial, il est alors possible d'effectuer dans la continuité des essais de perméabilité, par exemple, sous différentes pressions de confinement, afin d'étudier notamment la variabilité de la perméabilité des surfaces de rupture soumises, par exemple à un léger déplacement, ou encore la cicatrisation de certains matériaux. Les moyens 7 de cisaillement peuvent être constitués par deux éléments déformables 71, 72 de manière hétérogène, placés sous l'action dudit au moins piston, respectivement en contact avec les bases de l'échantillon. En se rapportant à la figure 1, les éléments déformables 71, 72 peuvent présenter chacun sur la moitié dudit élément une cavité interne formant une chambre déformable 8 sous la pression d'un fluide. La cellule présente au moins un circuit hydraulique 9 pour la mise en pression de ladite chambre. Préalablement ou simultanément à la compression de l'échantillon par ledit au moins un cylindre 4, 5, on peut par exemple augmenter l'épaisseur de l'élément 71, 72 sur la moitié de la surface de contact, en mettant en pression la chambre 8 déformable. Les deux éléments 71, 72 en contact avec la base supérieure et inférieure de l'échantillon 2 peuvent être avantageusement décalés angulairement selon une rotation d'axe coaxial à l'axe d'échantillon. Tel qu'illustré aux figures, selon un exemple, l'élément déformable 71 supérieur est cylindrique, en contact, d'une part, avec la base supérieure de l'échantillon 2, et d'autre part avec un plateau supérieur 30 lui-même contraint au déplacement par un piston 4. L'élément déformable 72 inférieur est également cylindrique, en contact, d'une part avec la base inférieure de l'échantillon 2, et d'autre part avec un plateau inférieur 31, formé par une embase fixe par rapport au bâti de la cellule. Lorsque les plateaux supérieur 30 et inférieur 31 sont rapprochés, les éléments déformables 71, 72 permettent de cisailler l'échantillon selon son axe longitudinal. Lors de la compression, on crée ainsi une fissure 40 qui s'étend longitudinalement à l'échantillon, d'un élément déformable à l'autre. Lors des essais, il a été constaté que la fissure prend naissance à la frontière des deux zones de l'élément qui se déforment différemment. Il est alors possible de changer l'orientation des surfaces de rupture en effectuant une rotation d'un élément déformable 71 par rapport à l'autre 72. Selon un autre mode de réalisation, les éléments déformables 71, 72 de la cellule, illustrés à la figure 1, peuvent être remplacés par deux éléments déformables tels qu'illustrés à la figure 2. Selon ce mode de réalisation illustré à la figure 2, chaque 10 élément déformable 71, 72 est substantiellement constitué de deux moitiés A, B prévues dans des matériaux de modules d'élasticité différente. Lorsqu'on compresse l'échantillon, la moitié B, par exemple de plus faible élasticité, exerce une contrainte supérieure par rapport à la contrainte exercée par la moitié A, alors de plus fort coefficient d'élasticité. En 15 décalant angulairement, l'un par rapport à l'autre les éléments déformables 71, 72, il est alors possible de cisailler l'échantillon lors de la compression. Selon l'exemple non limitatif, les éléments sont décalés d'une rotation d'axe coaxial audit axe longitudinal de l'échantillon. La moitié A notamment semi-cylindrique de plus forte élasticité est en élastomère, l'autre 20 moitié B de plus faible élasticité peut être en métal. L'assemblage des deux moitiés A et B peut être obtenu par les techniques de surmoulage. La partie métallique peut présenter à cet effet un alésage 70 pour obtenir un enchevêtrement de matières lors du moulage. Tel qu'illustré selon l'exemple de la figure 2, l'élément 25 déformable comprend une partie cylindrique métallique qui définit sur la moitié de sa surface la moitié B en métal, l'autre moitié de sa surface de moindre épaisseur forme un épaulement pour le support de la moitié A en élastomère. La moitié A est fixée à la partie B grâce aux techniques de surmoulage. Au repos, la surface de contact de la moitié A et celle de la moitié 30 B sont à un même niveau, coplanaires. Ce n'est que lorsqu'elles sont soumises à la contrainte axiale que les deux moitiés se déforment différemment permettant d'obtenir le cisaillement de l'échantillon. Tel qu'illustré aux figures 3 et 4 notamment, ii a été constaté que l'amorce des fissures se situe toujours à la frontière 2 des deux zones de déformation différentes, notamment à la frontière entre la moitié A et la moitié B. Il est alors possible de contrôler l'orientation des surfaces de rupture en effectuant une rotation de l'élément déformable 71 par rapport à l'élément déformable 72 d'axe coaxial à l'axe longitudinal de l'échantillon. Avantageusement, telle qu'illustrée à la figure 1, notamment selon un exemple, la cellule peut être une cellule triaxiale qui présente des moyens pour soumettre la paroi latérale de l'échantillon à la pression d'un fluide. Le cas échéant, afin de protéger la paroi latérale de l'échantillon, la pression du fluide exerce une contrainte radiale au travers d'une enveloppe 3 élastique protégeant l'échantillon 2 en enveloppant sa paroi latérale. Les moyens pour soumettre la paroi latérale de l'échantillon sont substantiellement constitués par une chambre étanche 13 à l'intérieur de laquelle est placé ledit échantillon relié à un circuit de mise en pression de ladite chambre (non illustré). Selon l'exemple de la figure 1, la cellule est une cellule autonome et peut présenter : - un corps de cellule 10, cylindrique, fermé de manière étanche par une embase inférieure 11 et un couvercle 12 avec une cavité interne formant la chambre étanche 13 à l'intérieur de laquelle est placé l'échantillon 2, cette chambre est reliée au circuit hydraulique pour la mise en pression de ladite chambre étanche, - un piston principal 4, ajusté pour pouvoir coulisser dans un premier alésage traversant du couvercle 12, présentant une collerette 14 qui s'ajuste dans un deuxième alésage 2 dudit couvercle 12, de plus grand diamètre pour y délimiter deux chambres 15, 16. Le piston principal 4 présentant un canal d'autocompensation pour la mise en communication du fluide de ladite chambre étanche 13 et de ladite chambre annulaire supérieure 15, - un module 50, fixé de manière amovible au couvercle 12 présentant un piston auxiliaire 15 apte à coopérer avec le piston principal 4, afin de rendre autonome ladite cellule. La cellule peut présenter des moyens de drainage 6 pour soumettre l'échantillon au passage longitudinal d'un fluide de drainage. Les moyens de drainage peuvent être constitués par un canal 20 mettant en communication le fluide de la chambre étanche 13 et la base supérieure de l'échantillon 2. Ce canal s'étend au travers du plateau supérieur 30 qui constitue alors une embase drainante 6. Ce canal s'étend au travers de l'élément déformable 71, supérieur, dans un canal 18 dudit élément. En partie basse de l'échantillon, le fluide s'évacue au travers d'un canal 18 de l'élément déformable inférieur 72, canal qui se prolonge par une conduite 21 qui s'étend dans l'embase de la cellule. Les éléments déformables 71, 72 peuvent présenter sur leur surface en contact avec les bases de l'échantillon 2, des moyens pour répartir le fluide de drainage sur toute la surface de contact. Tels qu'illustrés à la figure 2 notamment, ces moyens peuvent être constitués par au moins deux grilles 61, 62 qui recouvrent respectivement deux surfaces qui se déforment de la même façon lors de la compression de l'échantillon. Telle qu'illustrée à la figure 2, l'une des grilles 61 recouvre la moitié A de plus fort module d'élasticité, notamment en élastomère, l'autre grille 62 recouvrant l'autre moitié B de plus faible module d'élasticité, notamment en métal. Il est à noter que ces grilles peuvent être également employées au niveau des surfaces de contact des éléments 71, 72 illustrés à la figure 1 présentant notamment la chambre 8 déformable. A cet effet, l'une des grilles recouvre la surface de la moitié sur laquelle s'étend la chambre 8, l'autre grille recouvrant la surface de l'autre moitié, pleine. Naturellement, d'autres modes de mise en oeuvre, à la portée de l'homme de l'art, auraient pu être envisagés sans pour autant sortir du cadre de l'invention définie les revendications ci-après. REVENDICATIONS1. Cellule d'essai de géomatériaux sur des échantillons (2) cylindriques, de roches, de sols, ou des matériaux fabriqués sur des sites de prélèvement, comprenant au moins un piston (4, 5) pour soumettre un échantillon à un effort dirigé selon l'axe longitudinal de l'échantillon (2), caractérisé en ce que ladite cellule (1) présente, en outre, des moyens (7) de cisaillement de l'échantillon aptes à permettre la fissuration de l'échantillon lors de la compression de l'échantillon (2) par ledit au moins un piston. 2. Cellule selon la revendication 1, dans laquelle lesdits moyens (7) de cisaillement sont constitués par deux éléments déformables (71, 72) de manière hétérogène, placés sous l'action dudit au moins piston, respectivement en contact avec les bases de l'échantillon. 3. Cellule selon la revendication 2, dans laquelle chaque dit élément déformable (71, 72) est substantiellement constitué de deux moitiés (A 15 et B) dans des matériaux de modules d'élasticité différente. 4. Cellule selon la revendication 3, dans laquelle la moitié cylindrique (A) de plus fort coefficient d'élasticité, par exemple, est en élastomère, l'autre moitié (B) de plus faible élasticité en métal. 5. Cellule selon la revendication 2, dans laquelle lesdits 20 éléments déformables (71, 72) présentent chacun sur la moitié dudit élément une cavité interne formant une chambre (8) déformable sous la pression d'un fluide, ladite cellule présentant au moins un circuit hydraulique (9) pour la mise en pression de ladite chambre (8). 6. Cellule selon l'une des revendications 2 à 5, dans laquelle 25 les éléments (7i, 72) déformables sont décalés angulairement, l'un par rapport à l'autre, selon une rotation d'axe coaxial audit axe longitudinal de l'échantillon. 7. Cellule selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle ladite cellule est une cellule triaxiale qui présente des moyens pour soumettre la paroi latérale de l'échantillon à la pression d'un fluide, le cas échéant au 30 travers d'une enveloppe élastique protégeant ledit échantillon, lesdits moyens étant constitués par une chambre étanche (13) à l'intérieur de laquelle estplacé ledit échantillon et un circuit de mise en pression de ladite chambre étanche. 8. Cellule selon les revendications 2 et 7, présentant des moyens de drainage (6) pour soumettre l'échantillon au passage longitudinal d'un fluide de drainage, lesdites éléments déformables (71, 72) présentant un canal pour la passage dudit fluide de drainage. 9. Cellule selon la revendication 8, dans laquelle les éléments déformables présentent sur leur surface en contact avec les bases de échantillon des moyens pour répartir le fluide de drainage sur toute la surface de contact. 10. Cellule selon la revendication 9, dans laquelle les moyens pour répartir le fluide de drainage sur toute la surface de contact sont constitués par au moins deux grilles (61, 62).15