Brevet FR2938276A1 — publié le 20100514

La présente invention concerne un pénétromètre dynamique à énergie variable et un procédé de mesure. La détermination des paramètres mécaniques des sols peut se faire in-situ. Les essais in-situ ont notamment l'avantage de mesurer les sols dans leur état contraint naturel ce qui ne peut pas être fait dans le cadre d'un essai en laboratoire. Pour ces mesures in-situ, on peut utiliser un pénétromètre dynamique tel que celui montré par le document FR-A-2 817 344. Contrairement aux pénétromètres classiques qui sont des outils lourds et fastidieux à mettre en oeuvre, un pénétromètre dynamique est léger et extrêmement simple à mettre en oeuvre, ce qui permet, par exemple, d'effectuer des mesures sur des sites difficiles d'accès. De manière classique, un pénétromètre dynamique possède une tête de battage, et un train de tiges, la tige d'extrémité étant munie d'un cône permettant la pénétration dans le sol. La tête de battage sur laquelle on vient exercer manuellement ou automatiquement des coups par un marteau est pourvue d'une jauge de déformation. Le principe général de fonctionnement repose sur la mesure de l'énergie reçue par le pénétromètre lors de la frappe de la tête du pénétromètre par la jauge de contrainte et sur la mesure par un capteur d'enfoncement du déplacement de la pointe du pénétromètre sous l'effet de l'énergie reçue par la tête du pénétromètre. Les signaux mesurés par la jauge de contrainte et le capteur d'enfoncement sont transmis à une unité de calcul qui détermine alors la 25 résistance du terrain au niveau de la pointe du pénétromètre. On obtient ainsi un pénétrogramme représentatif du terrain dans lequel le pénétromètre est enfoncé. Dans ce contexte technique, il est apparu que le modèle du pénétromètre dynamique tel que décrit précédemment peut être amélioré pour 30 retirer de nouvelles informations sur les paramètres du sol. Selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de mesure in situ de propriétés d'un sol à l'aide d'un pénétromètre comprenant un train de tiges ayant au moins une tige dont la tige d'extrémité présente une pointe d'enfoncement conique et une tête de battage conçue pour recevoir une 35 énergie de battage et pour la transmettre au train de tiges. Ce procédé comprend les étapes consistant à : - effectuer une mesure extensométrique sur la tige adjacente à la tête de battage, des ondes se propageant dans le train de tiges dans la direction descendante allant de la tête de battage vers la pointe et dans la direction montante allant de la pointe vers la tête de battage, - effectuer un découplage de l'onde descendante cf (Ç) et de l'onde montante Eg(q), - déterminer les signaux de force résistante Fp(t), de vitesse vp(t), du déplacement dp(t), et d'énergie transmise au sol EFdp(t). Selon le procédé objet de la présente invention, la mesure extensométrique est effectuée en deux points a et b de la tige où sont effectuées une mesure Ea(t) et une mesure Eb(t), le découplage de l'onde descendante cf g) et de l'onde montante Eg(r)) étant donné par l'équation dans laquelle =(t-ta), q=(t+ta), ta =(a/c), tb =(b/c) et T =(L/c), avec L la longueur du train de tiges, La force résistante Fp(t) est déterminée par la formule : eg(17 ) V 2(T-tai V r) 2T ù a (t F(t)= 1 {Fr(t)+FÎ1t+2(Tùt 2(T -- ta') il La vitesse vp(t) est déterminée par la formule : F(F+Tùta)�Zv (t+T ù ta ) ùFa(t-T+tz)+Z,v,i(t+T+tz)1 p Z Le déplacement dp(t) de la pointe est déterminé par la formule d p(.t) = J v,()dt L'énergie transmise EFdp(t) au sol est déterminée par la formule : EFdpn = {FF(t)v (t)}dt Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un pénétromètre dynamique à énergie variable de mesure in situ de propriété d'un sol comprenant un train de tiges ayant au moins une tige, dont la tige d'extrémité présente un cône d'enfoncement et une tête de battage conçue pour recevoir une énergie de battage et pour la transmettre au train de tiges. Ce pénétromètre comprend, de plus, au moins un moyen de mesure des ondes qui se propagent dans le train de tiges et des moyens de traitement de ces mesures conçus pour déterminer les signaux de vitesse vp(t) de la pointe, du déplacement dp(t) de la pointe, de force résistante Fp(t) au niveau de la pointe et d'énergie transmise au sol EFdp(t). Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le pénétromètre comprend deux jauges de déformation montées en pont de Wheatstone disposées à la surface d'une tige du pénétromètre. De préférence, les jauges de déformation sont disposées sur la tige adjacente à la tête de battage. En outre, les moyens de traitement peuvent comprendre une boîte d'amplification et un micro ordinateur. Pour sa bonne compréhension, l'invention est décrite en référence au dessin ci annexé représentant, à titre d'exemple non limitatif une forme de réalisation d'un pénétromètre selon celle-ci et le procédé de mesure de sol associé à ce pénétromètre. Figure 1 montre schématiquement une forme d'exécution d'un pénétromètre selon l'invention. Le pénétromètre selon l'invention est un pénétromètre dynamique à énergie variable c'est-à-dire un outil mesurant la pénétration dans le sol d'une 30 tige à pointe conique battue par une masse non calibrée. La structure du pénétromètre 1 proprement dit comprend : 3 - une tête de battage 2 réalisée dans un acier à haut module d'élasticité. La tête de battage 2 peut incorporer des moyens de mesure de l'énergie transmise à la tête de battage par un organe de frappe de type marteau. Les moyens de mesure de l'énergie peuvent être des jauges de déformation 3, par exemple, montées en pont de Wheatstone placées à la surface de la tête de battage, - un train de tiges 4 est fixé au dessous de la tête de battage. Dans le pénétromètre selon l'invention, une des tiges 4, de préférence la tige directement fixée à la tête de battage 2 est équipée de deux jauges de déformation 6 et 7 montées en pont de Wheatstone. Ces jauges de déformation 6 et 7 sont positionnées en deux points de la tige et portent par convention les références a et b. Le signal provenant des jauges de déformation 6 et 7 peut être traité par boîte amplificatrice 8 qui est elle-même reliée à une unité de traitement de type par exemple, micro-ordinateur 9 possédant notamment des mémoires ROM et RAM et un processeur. Enfin, à l'extrémité de son train de tiges, le pénétromètre possède une pointe conique 10. On note que le pénétromètre peut également être doté de moyens de mesure de la distance d'enfoncement sous l'effet des coups d'un marteau 11 sur la tête de battage 2. En pratique, il peut s'agir d'une courroie 12 dont une extrémité est reliée à la tête de battage 2 et dont la seconde extrémité est reliée à un guide 13 qui est posé sur la surface du sol. Un système optique peut également être envisagé pour mesurer l'enfoncement du train de tiges 4 dans le sol. Le pénétromètre selon l'invention peut ainsi réaliser la mesure de deux phénomènes qui vont permettre d'avoir une connaissance de la structure du sol. D'une part, le pénétromètre mesure la résistance du sol au niveau 30 de la pointe de manière connue. Cette mesure est faite en transmettant de l'énergie par un impact à la tête de battage 2 par le marteau 11. L'énergie de l'impact est mesurée par les jauges de déformation 3. En mesurant l'enfoncement consécutif à l'impact et en connaissant les paramètres du pénétromètre tels que la section de la pointe et la masse du 35 marteau, on détermine la résistance du sol à la pointe du train de tiges 4. On obtient ainsi un pénétrogramme représentatif du sol. L'invention propose d'aller plus loin dans la connaissance des caractéristiques du terrain. Pour cela, le pénétromètre 1 propose de réaliser une mesure de l'onde transmise par le marteau 11 et réfléchie depuis la pointe 10. La mesure de ce phénomène est effectuée par le deuxième ensemble de jauges de déformation 6 et 7 qui est disposé sur la tige 4 positionnée immédiatement au dessous de la tête de battage 2. Dans cet aspect de l'invention, on considère que la ou les tiges du pénétromètre sont des corps élastiques, de section homogène et uniforme qui possèdent un module d'Young E et une densité p. Le marteau 11 est un corps de masse M qui frappe le pénétromètre avec une vitesse vm. Le marteau 11 génère dans le pénétromètre une onde de compression u(x,t) qui propage à une vitesse constante c vers sa pointe. Lorsque l'onde u(x,t) arrive à la pointe 10 du pénétromètre, une partie de l'onde est utilisée pour déformer le sol et une autre partie est réfléchie vers le haut du pénétromètre, où une nouvelle réflexion aura lieu. Il y a donc une superposition des ondes qui se déplacent en sens contraire à savoir une onde montante et une onde descendante selon l'équation suivante : u(x,t) = f(t-x c)+g(t+x c) (équation 1) avec c= .NlEp étant la célérité de l'onde dans le train de tiges 4. Par convention, on précise que l'onde descendante est désignée 25 par f et que l'onde montante est désignée par g. Le passage de l'onde u(x,t) entraîne dans un point x le long des tiges des variations de déformation E(x,t)=(6u(x,t)/6x) et de vitesse particulaire v(x,t)=(6u(x,t)/5t). On obtient ainsi : 30 E (x, t) =Ef(t-x c)+Eg(t+x c ) (équation 2) v(x,t) = vf(t-x c)+vg(t+x c) (équation 3) L'équation 3 peut être exprimée en termes de déformation 35 descendante Ef(t-x/c) et de déformation montante Eg(t+x/c) et on obtient : v(x,t)= c{-cf(t - x c)+cg(t + x c )} (équation 4) On peut remarquer que la solution au problème de la propagation de l'onde u(x,t) dans les tiges passe par la connaissance des ondes 5 montantes ef(t-x/c) et descendantes Eg(t+x/c). Un problème réside dans le fait que les mesures réalisées à l'aide des jauges de déformation ou éventuellement à l'aide d'accéléromètres ne permettent que l'enregistrement des signaux E(x,t) ou v(x,t) où les ondes Ef(t-x/c) et Eg(t+x/c) sont souvent confondues l'une avec l'autre. 10 Pour pouvoir exploiter ces signaux, il convient donc d'effectuer un découplage entre les ondes montantes et descendantes. Dans la pratique, le découplage peut se faire suivant différentes méthodes : - en utilisant une seule mesure extensométrique, 15 - en utilisant deux mesures extensométriques, - en utilisant une mesure extensomérique et une mesure d'accélération. Dans l'exemple de réalisation, on utilise les deux jauges de déformation 6 et 7 qui sont collées en deux points, a et b, le long des tiges. De 20 cette façon, pour chaque coup du marteau 11, on enregistre les mesures ea(t) et eb(t), Le découplage se fait d'après l'équation 5, où =(t-ta), rt=(t+ta), ta =(a/c), tb =(b/c) et T =(L/c), avec L la longueur du train de tiges, car 4 + ta) -2tb--2ta)+sa(. - taÏ ù &b( ù tb+?'taJ 0 se ri - , ù e+'I 17ù 2ta)+Sa( Ijùta) 25 (équation 5) La connaissance de Efg) et Eg(r)) permet de reconstruire les signaux de déformation E(xi,t), de force F(xi,t), de vitesse particulière v(xi,t) et de déplacement u(xi,t) en tout point xi du pénétromètre, notamment dans la 30 pointe 10. La reconstruction des signaux de force Fa(t) et de vitesse particulière va(t) (équations 2 et 4) pour le point de mesure a permet de déterminer la valeur de la force résultante sur la pointe Fp(t). 3 ~ Lf F(()= IFS/ )-Fa(t+2(Tù n )Jj- -?(TùI~1.j1 (équation 6) Où Zt=(EA/c) est l'impédance mécanique de la tige. La vitesse d'enfoncement de la pointe vp(t) est obtenue d'après l'équation 7, et l'enfoncement de la pointe dp(t) obtenu en intégrant le signal vp(t). Fa(t+T ù )+Zrva(t+Tùta)ùF~(I T+ç_)+Z.Va(t+T+ç ) 2Z (équation 7) d,,(t) = 1'F(.)dt (équation 8) Finalement, on peut calculer l'énergie transmise au sol EFd(t) au 15 cours de l'enfoncement d'après la formule suivante : EFd(t)= (r/vptt}#+ It (équation 9) Sur le terrain, la mise en oeuvre du pénétrometre selon l'invention 20 peut se faire de la manière suivante. Les jauges de déformation 6 et 7 qui sont fixées sur la tige 4 sont connectées à la boîte amplificatrice 8 qui peut posséder un nombre de ports d'acquisition permettant également de connecter la jauge de déformation 3 qui se trouve sur la tête de battage 2. 25 Une fois le coup du marteau 11 fourni au pénétromètre, les signaux extensométriques mesurés par les jauges de déformation 6 et 7 sont transférés au micro ordinateur 9 par l'intermédiaire d'une carte d'acquisition, où un logiciel assure le traitement des données qui lui sont fournis, l'enregistrement et l'affichage des signaux sur un écran. vp(t) = La fréquence d'échantillonnage peut varier dans un plage comprise entre, par exemple, 250khz et 500khz selon les ports utilisés. Le filtrage des signaux, le découplage des ondes eg) et eg(q), la reconstruction des signaux vp(t), dp(t) et Fp(t), et le calcul des énergies se font par l'intermédiaire d'un programme stocké dans le micro ordinateur 9 intégrant les équations formulées précédemment. La connaissance des ondes dg) et eg(q) permet de décrire entièrement le phénomène dynamique de propagation de l'onde de compression entraînée par l'impact du marteau dans les tiges 4 du pénétromètre, et permet, notamment, de reconstruire les signaux de vitesse vp(t), du déplacement dp(t), de force résistante Fp(t) et d'énergie transmise au sol dans la pointe ce qui permet de caractériser le sol dans lequel le pénétromètre s'enfonce. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à sa forme de réalisation 15 décrite ci-dessus mais elle en embrasse au contraire toute les formes de réalisation. REVENDICATIONS1. Procédé de mesure in situ de propriétés d'un sol à l'aide d'un pénétromètre (1) comprenant un train de tiges (4) ayant au moins une tige dont la tige d'extrémité présente une pointe d'enfoncement (10) conique et une tête de battage (2) conçue pour recevoir une énergie de battage et pour la transmettre au train de tiges (4), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : - effectuer une mesure extensométrique sur la tige (4) adjacente à la tête de battage (2), des ondes se propageant dans le train de tiges (4) dans la direction descendante allant de la tête de battage (2) vers la pointe (10) et dans la direction montante allant de la pointe (10) vers la tête de battage (2), - effectuer un découplage de l'onde descendante Ef (&) et de l'onde montante Eg(n), - déterminer les signaux de force résistante Fp(t), de vitesse vp(t), du déplacement dp(t), et d'énergie transmise au sol EFdp(t). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mesure extensométrique est effectuée en deux points a et b de la tige (4) où sont effectuées une mesure Ea(t) et une mesure Eb(t), le découplage de l'onde descendante Ef (i;) et de l'onde montante Eg(q), étant donné par la formule suivante dans laquelle =(t-ta), q=(t+ta), ta =(a/c), tb =(b/c) et T =(L/c), avec L la longueur du train de tiges, V - 2(T - ta) 2T 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la force résistante Fp(t) est déterminée par la formule : F(t)=1ik M+F,(t+2(T- ù va(T- 2(T 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce que la vitesse vp(t) est déterminée par la formule : F (r+Tùt1 )+Ztv,(r+Tùr )ùFjtùT+f1)+Z:v1+T+t 1 va(t) _ 2Z, 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le déplacement dp(t) de la pointe est déterminé par la formule : r d (t) = j 1• ridt 6. Procédé selon l'un des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'énergie transmise EFdp(t) au sol est déterminée par la formule : Efid(t) = {FFfr)vp(t1}dr 15 7. Pénétromètre (1) dynamique à énergie variable de mesure un situ de propriété d'un sol comprenant un train de tiges (4) ayant au moins une tige, dont la tige d'extrémité présente un cône d'enfoncement (10) et une tête de battage (2) conçue pour recevoir une énergie de battage et pour la 20 transmettre au train de tiges (4), caractérisé en ce que le pénétromètre comprend, de plus, au moins un moyen de mesure des ondes qui se propagent dans le train de tiges et des moyens de traitement de ces mesures conçus pour déterminer les signaux de vitesse vp(t) de la pointe, du déplacement dp(t) de la pointe, de force résistante Fp(t) au niveau de la pointe et d'énergie transmise 25 au sol EFdp(t). 8. Pénétromètre selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend deux jauges de déformation (6,7) montées en pont de Wheatstone disposées à la surface d'une tige (4) du pénétromètre. 10 1 30 9. Pénétromètre selon la revendication 8 caractérisé en ce que les jauges de contraintes (6,7) sont disposées sur la tige adjacente à la tête de battage (2). 10. Pénétromètre selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les moyens de traitement comprennent une boite d'amplification (8) et un micro ordinateur (9).