Brevet FR2940684A1 — publié le 20100702

La présente invention concerne un dispositif expérimental permettant de simuler en laboratoire des états de contraintes triaxiales et hydriques (saturé et partiellement saturé) induits par la création et l'exploitation des ouvrages souterrains tels que des tunnels des alvéoles de stockages ou des réservoirs souterrains etc. L'évaluation des caractéristiques hydromécaniques des roches profondes nécessite des essais permettant de contrôler ou d'imposer simultanément des états de contrainte triaxiale et des états hydriques. Ces essais nécessitent l'utilisation de cellules triaxiales autorisant deux contraintes indépendantes l'une radiale et l'autre axiale sur une éprouvette cylindrique de matériau. La contrainte radiale est obtenue grâce à une chambre de confinement amovible dans laquelle est réalisée une pression égale à la contrainte radiale souhaitée. L'échantillon comporte une embase fixe, installée sur le socle de la cellule triaxiale, une tête pour l'application de la contrainte axiale et une manchette imperméable pour isoler l'échantillon par rapport au fluide de confinement. La contrainte axiale est réalisée grâce à la tige d'un vérin hydraulique, par contact avec la tête pour les essais en compression et par l'intermédiaire d'un système d'accrochage de la tête pour les essais d'extension. Il est cependant nécessaire en pratique, que l'axe de l'éprouvette soit confondu avec la tige du vérin dans le cas des essais d'extension pour appliquer qu'une force axiale sans couple. Dans les cellules triaxiales traditionnelles, cet alignement précis est difficile à réaliser. En effet l'éprouvette est tout d'abord mise en place sur son embase avec sa tête et sa manchette, pour ensuite installer l'enceinte de confinement et le vérin d'application de la contrainte axiale. L'accrochage de la tête de l'échantillon est réalisé en aveugle, compte tenu que l'enceinte de confinement pour résister à des pressions de plusieurs dizaines de MPa ne permet pas l'utilisation de matériau transparent. Par ailleurs, dans le cas des essais en compression sur des échantillons de roches sédimentaires en condition drainée (sans surpression du fluide interstitiel), les vitesses d'écrasement doivent être très lentes et le contact de la tige du vérin sur la tête pour réaliser l'effort d'écrasement peut se faire sur plusieurs jours. L'invention exposée ici est le résultat de la volonté de réaliser la mise en position précise de l'éprouvette avec la tige du vérin, avant la fermeture de l'enceinte de confinement par un dispositif simple. Ce dispositif est constitué d'un vérin à double effet, comportant en partie haute un piston de compensation dans la section et égale à la section de la tige du vérin pour éviter la remontée de la tige du vérin sous l'effet de la pression de confinement et en partie basse un piston d'écrasement permettant l'application de la force axiale sur l'échantillon. La chambre de compensation est en communication avec la chambre de confinement par des canalisations pouvant être déconnectées notamment pour des essais d'extension. L'ensemble est fixé par le haut à un bâti et comporte une enceinte de confinement amovible. L'ouverture de l'enceinte est obtenue grâce à deux vérins, permettant de la soulever. Les essais de compression triaxiaux traditionnels nécessitent d'utiliser de puissantes presses externes pour compenser la remontée de la tige du piston sous l'effet de la pression de confinement et l'application d'une force de compression sur la tête de l'échantillon. L'invention exposée ici est le résultat de la volonté de pouvoir utiliser la cellule sans avoir recours à une presse externe par un système simple et peu encombrant, qui comporte : un système de vérin hydraulique à double piston intégré dans l'axe du piston, l'un recevant la pression de la chambre de confinement pour le piston de compensation et l'autre par une source extérieure de pression pour le piston d'écrasement. La pression de confinement étant elle aussi fournie par une seconde source de pression externe. Avec l'utilisation d'une cellule triaxiale traditionnelle, il n'est pas possible de réaliser des essais d'extension sur l'éprouvette car celle-ci n'est pas fixée au piston. L'invention exposée ici est le résultat de la volonté de pouvoir utiliser la cellule pour effectuer des essais de compression mais aussi d'extension de l'éprouvette par un système simple, qui comporte : un accrochage de la tête d'écrasement supérieure à l'axe du vérin. Avec l'utilisation d'une cellule triaxiale traditionnelle, il est possible de saturer l'éprouvette avec différents fluides mais il n'est pas possible de faire des essais avec des états hydriques contrôlés. Différentes techniques ont été élaborées pour imposer des états hydriques partiellement saturés à partir de la génération de pressions interstitielles négatives. Ces méthodes consistent à imposer une pression capillaire au sein d'un échantillon à partir des surfaces extérieures. La pression capillaire est définie comme étant la différence entre la pression de l'air et la pression de l'eau m. = pa û pu. Les techniques par contre - pression d'air, ou osmotique permettent d'imposer des pressions capillaires n'excédant pas 5MPa pour la contre - pression d'air et 1,5 MPa pour l'osmotique. En revanche, l'humidité relative de l'air par les surfaces extérieures de l'échantillon permet d'imposer une pression capillaire par la relation de Kelvin: p, = P" .T .Ln(Hr) avec Hr humidité relative, T température absolue °K, R constante, M masse molaire, p,,, masse volumique de l'eau. Plusieurs techniques sont utilisées pour imposer une humidité relative de l'air : directement, par l'utilisation des sels dans les solutions salines saturées surtout utilisée pour déterminer les isothermes de sorption ù désorption, ou bien indirectement, par l'intermédiaire de la pression de vapeur telle que H,. = Pv avec p,, pression de vapeur et pesa, pression de vapeur Pvsai saturante. L'invention exposée ici provient de la volonté de pouvoir effectuer des essais à hygrométrie contrôlée de l'éprouvette par un système simple, qui comporte : dans les têtes inférieure et supérieure des ailettes supportant des disques poreux en contact des deux faces de l'échantillon ainsi que des conduits d'arrivées et de retour de l'air. L'air à humidité relative imposée est appliqué à la face supérieure de l'échantillon par une canalisation centrale et un retour par l'extérieur de cette canalisation dans la tige du vérin. Deux lumières sont réalisées dans la chemise du vérin pour permettre d'être connecté à un circuit d'air à humidité relative contrôlée. La circulation de l'air à humidité relative imposée pour la face inférieure de l'échantillon est réalisée grâce à deux canalisations concentriques. Une canalisation centrale apporte l'air et une deuxième concentrique à la première assure le retour de l'air. Ces deux canalisations sont reliées à un circuit extérieur permettant d'imposer une humidité relative de l'air ventilé. On va maintenant passer aux commentaires des figures suivantes annexées à titre illustratif et non limitatif qui représentent une réalisation de l'invention : - La figure 1 est une vue d'ensemble de la cellule triaxiale. - La figure 2 est une vue de détail du bas de la cellule. - La figure 3 est une vue de détail du vérin d'application de la contrainte axiale. - La figure 4 est une vue de détail du système de réglage du vérin. La cellule d'essai des figures 1 et 2 comprend tout d'abord des éléments de structure pour constituer une chambre de confinement, comprenant une base 1, une enveloppe cylindrique avec un chapeau amovible 2 et d'une bride support du vérin 3. Une tige de vérin 4 avec un épaulement dans sa partie inférieure pénètre à travers la bride 3 dans la chambre de confinement. Un accouplement permet de relier la tête de l'éprouvette 6 à la tige du vérin 4. Ce dispositif d'accouplement comporte un disque 7 solidaire de la tête 6 et d'un manchon 8 comportant un filetage intérieur permettant par vissage sur le disque 7 un accrochage avec jeu de la tête 6 avec la tige du vérin 4. L'éprouvette 5 est isolée par une membrane 9 imperméable et manchonnée sur la tête 6 et l'embase inférieure 10 fixée sur la base 1 par une plaque de centrage 11. Un capteur de diamètre 12, non représenté en détail, est monté autour de la membrane 11 et mesure les variations du diamètre de l'éprouvette 5. L'embase 10 comporte un disque poral 13 supporté par des ailettes le contact de la face inférieure de l'échantillon 5 avec un air à humidité relatif contrôlé. Cet air est amené par un collecteur 14 constitué d'une canalisation centrale débouchant sur le disque poral 13 et sur un circuit de retour d'air comprenant les ailettes de l'embase 10 et un annulaire constitué entre la canalisation centrale et le corps du collecteur. Un circuit extérieur associé à générateur d'air à humidité relative permet d'imposer à la face inférieure de l'échantillon 5 la pression capillaire souhaitée. L'axe du vérin 4 des figures 1 et 3 s'étend hors de la chambre de confinement et comporte deux circuits de circulation d'air concentriques isolés par un épaulement 15 solidaire de la tige du vérin 4. Le circuit central d'arrivée de l'air à humidité contrôlé s'emboîte dans un tube de la tête 6 et permet à travers un disque poreux 16 d'imposer une pression capillaire sur la face supérieure de l'échantillon 5. Le retour de l'air s'effectue grâce à des ailettes réalisées dans la tête 6 et à l'espace annulaire réalisé autour de la canalisation centrale. Dans la chemise 17 deux lumières isolées par un épaulement 15 permettent l'arrivée et la sortie de l'air dont l'humidité relative est générée par un circuit extérieur. Le piston d'écrasement 18 fixé sur la tige du vérin 4 coulisse dans la chemise 17 et permet grâce à une pression hydraulique externe d'appliquer à l'échantillon 5 une force d'écrasement. Un deuxième piston 19 dit de compensation, monté sur l'axe du vérin 4 est monté dans la chemise 20 évitant la remontée de la tige du vérin sous l'effet de la pression de la chambre de confinement. Pour cela la section du piston 19 est égale à la section de la tige du vérin pénétrant dans la chambre de confinement. Une série de canalisations et de vannes permet d'appliquer sur le piston 19 une pression égale à celle régnant dans la chambre de confinement. Cette communication entre la chambre constituée par le piston 19 et la chemise 20 peut être supprimée pour la réalisation des essais d'extension. L'ensemble tige de vérin 4 des figures 1 et 4 support de bride 3, avec ses deux pistons 18, 19 et ses chemises 17, 20 est fixé à un bâti 21. La tige du vérin 4 des figures 1 et 4 s'étend hors de la chemise supérieure 20 et comporte un dispositif de réglage manuel de la tige du vérin 4 par un dispositif vis 22 et écrou 23 accouplé à la tige du vérin. Deux vérins hydrauliques sont installés sur l'enceinte de confinement 2 pour la soulever et permettre le montage de l'échantillon 5. REVENDICATIONS1. Dispositif d'essai de compression ou d'extension triaxiale d'éprouvettes cylindriques (5) permettant d'imposer simultanément des états hydriques (saturé et non saturé) et mécaniques par deux contraintes indépendantes (axiale et radiale) 2. Dispositif d'imposition des états hydrique et mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'état hydrique est obtenu en amenant de l'air à humidité contrôlée sur les deux faces de l'échantillon (5). 3. Dispositif d'imposition des états hydrique et mécanique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la pression capillaire est imposée sur la face supérieure de l'échantillon (5) par l'arrivée d'air à humidité relative contrôlé par une lumière installée sur la chemise (17) ensuite dirigé dans une canalisation réalisées dans la tige du vérin (4) et le retour en traversant successivement les ailettes installées dans la tête (6), l'espace annulaire dans la tige du vérin et la sortie par une seconde lumière dans la chemise (17) isolée de la première par un épaulement (15) fixé sur la tige du vérin. 4. Dispositif d'imposition des états hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce la pression capillaire imposée sur la face inférieure de l'échantillon (5) est aussi réalisée par l'amené d'un air à humidité relative contrôlée par un collecteur (14) constitué d'une canalisation centrale débouchant sur le disque poral (13) et d'un circuit de retour d'air comprenant les ailettes de l'embase (10) et d'un annulaire constitué entre la canalisation centrale et le corps du collecteur. 5. Dispositif d'imposition des états hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qui concerne les circulations d'air sont réalisés par deux circuits extérieurs comportant des générateurs d'humidité relative et des ventilateurs. 6. Dispositif d'imposition des états hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comporte une chambre de confinement constitué d'une enceinte avec un chapeau amovible (2) recevant un échantillon (5) entourée d'une membrane imperméable (9) reposant sur une embase (10) et équipé d'une tête (6) dans laquelle règne une pression hydraulique. 7. Dispositif d'imposition des états hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enceinte (2) est soulevée par deux vérins hydraulique pour permettre de monter l'échantillon (5) sur son embase (10) et sa tête (6) 8. Dispositif d'imposition des états hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la tige de vérin (4) est accouplé à la tête del'échantillon (6) avec un jeu (pour permettre la déformation de l'échantillon sous la pression de confinement sans effort de traction) par un épaulement sur la partie inférieure de la tige du vérin (4), un disque (7) visé sur un manchon (8). 9. Dispositif d'imposition des états hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé par un piston d'écrasement (18) fixé sur la tige du vérin (4) coulissant dans le cylindre (17) permettant grâce à une pression hydraulique externe d'appliquer à l'échantillon (5) une force d'écrasement. 10. Dispositif d'imposition des états hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé par un deuxième piston à double effet (19) dit de compensation ou de traction fixé sur l'axe du vérin (4) et coulissant dans la chemise (20) évitant ainsi la remontée de la tige du vérin sous l'effet de la pression de la chambre de confinement, dont la section du piston (19) est égale à la section de la tige du vérin pénétrant dans la chambre de confinement. Une série de canalisations et de vannes permet d'appliquer sur le piston (19) une pression égale à celle régnant dans la chambre de confinement. 11. Dispositif d'imposition des états hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que la communication entre la chambre de confinement et la chambre de compensation peut être supprimée pour les essais d'extension. 12. Dispositif d'imposition des états hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que le vérin associé à des pistons d'écrasement (18), de compensation (19) et des cylindres (17) et (20) sont fixé à un bâti (21). 13. Dispositif d'imposition des états hydrique et mécanique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que un dispositif externe constitué d'un système vis (22) et écrou (23) permet un réglage manuel de la tige du vérin (4).