Brevet FR3092598A1 — publié le 20200814

Description Titre de l'invention : penetromètre stato-dynamique autonome Domaine technique [0001] La présente invention concerne le domaine de la géotechnique et de la géologie. Elle concerne en particulier un dispositif de mesure de la résistance à la pénétration d'un sol, appelé communément un pénétromètrc. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION [0002] La compacité des sols est habituellement mesurée, soit en mode statique, soit en mode dynamique, par un dispositif de mesure appelé pénétromètrc. Un pénétromètre comporte classiquement des tiges raccordées bout à bout pour former un train dc tiges au bout duquel est fixée une pointe de mesure, destinée à s'enfoncer dans le sol sur des profondeurs allant de quelques mètres à plusieurs dizaines de mètres. [0003] En mode statique, le train de tiges est poussé par des vérins, provoquant l'enfoncement progressif de la pointe de mesure ; cette dernière mesure la résistance de pointe et éventuellement le frottement latéral sur un manchon cylindrique situé au-dessus de la pointe. Ces mesures sont enregistrées dc manière continue ou discontinue selon un pas régulier. La mesure statique dc la résistance à la pénétration du sol est sans conteste la plus précise car elle est réalisée directement sur la pointe dc mesure, au fond du sondage. [0004] Lorsque la pointe dc mesure et le train de tiges sont enfoncés à plusieurs mètres, le frottement exercé par le sol sur le train de tiges doit être vaincu par une forte poussée pour poursuivre l'enfoncement. De plus, quand la résistance du sol est importante (sols très compacts), il devient très complexe d'appliquer une poussée suffisante pour générer l'enfoncement de la pointe. Il en résulte des pénétromètres encombrants et lourds car le poids, la puissance et la qualité de l'ancrage des machines qui actionnent les vérins doivent assurer en toutes circonstances une mesure en mode statique. [0005] La mise à disposition et le tnuisport de tels pénétromètres peut donc être un frein à la réalisation d'essais dans des zones géographiques éloignées ou des terrains peu accessibles, ou encore à la réalisation d'essais rapides d'évaluation. Il y a donc un besoin de pénétromètres autonomes et facilement transportables. OBJET DE L'INVENTION [0006] Un objet de la présente invention est de proposer une solution répondant au besoin précité ; en particulier, l'invention concerne un pénétromètre permettant des mesures en mode statique, simple de mise en oeuvre, autonome et facilement transportable. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION [0007] L'invention concerne un pénétromètre comprenant : 2 [0008] - Au moins une tige centrale terminée à une première extrémité par une pointe de mesure ; - Au moins un tube creux entourant la tige centrale, cette dernière étant apte à coulisser à l'intérieur du tube creux ; [0009] - Une cellule de mesure composée d'une enveloppe externe et d'un logement interne abritant un dispositif de mesure de contrainte, la cellule de mesure étant configurée de sorte que l'enveloppe externe établisse un contact avec le tube creux et que le dispositif de mesure de contrainte établisse un contact avec une deuxième extrémité de la tige centrale, lorsque la cellule de mesure est disposée sur l'ensemble formé par le tube creux et la tige centrale ; - Une enclume composée d'un pied pour prendre appui sur l'enveloppe externe du côté opposé à celui en contact avec le tube creux, et une tête destinée à accueillir un outil connecté à un engin de chantier, pour réaliser un enfoncement dans le sol de l'ensemble formé par le tube creux et la tige centrale. [0010] Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable : la tige centrale comprend une rallonge pour établir le contact avec le dispositif de mesure de contrainte au niveau de sa deuxième extrémité, la tige centrale ne dépassant pas du tube creux ; la cellule de mesure est amovible et le pied de l'enclume est configure pour chevaucher et prendre appui sur le tube creux ; le dispositif de mesure de contrainte est un capteur de pression hydraulique ; le dispositif de mesure de contrainte est un vérin, un piston mobile du vérin étant en contact avec une deuxième extrémité de la tige centrale, lorsque la cellule de mesure est disposée sur l'ensemble formé par le tube creux et la tige centrale ; la tête de l'enclume est configurée pour coopérer avec une broche d'un brise-roche connecté à un engin de chantier ; le pénétromètre comprend un extracteur équipé d'au moins un système de vérins et d'un coinceur automatique de barre pour enserrer le tube creux lors d'une extraction du sol de l'ensemble formé par le tube creux et la tige centrale ; le pénétromètre comprend un système d'arrachage équipé d'une tête d'arrachage fixée au moins au tube creux et d'un palonnier disposé sous la tête d'arrachage et muni de câble ou chaine destiné à être fixé à un outil connecté à un engin de chantier tel qu'un bras de pelle mécanique, lors d'une extraction du sol de l'ensemble formé par le tube creux et la tige centrale ; le tube creux comprend un écrou de retenue pour coopérer avec la tige 3 centrale et permettre une extraction du sol simultanée de l'ensemble formé par le tube creux et la tige centrale. Brève description des dessins [0011] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles : [0012] [fig. lai [0013] [fig. lb] Les figures la et lb présentent des schémas de principe d'un pénétromètre conforme à l'invention ; [0014] [fig.2] La figure 2 présente un schéma de principe d'un pénétromètre conforme à l' invention ; [0015] [fig.3] La figure 3 présente un schéma de principe d'un extracteur pour un pénétromètre conforme à l'invention ; [0016] [fig.4] La figure 4 présente un schéma de principe d'un système d'arrachage pour un péné- tromètre conforme à l'invention. Description des modes de réalisation [0017] Dans la pallie descriptive, les mêmes références sur les figures pourront être utilisées pour des éléments de même type. Les figures sont des représentations schématiques qui, dans un objectif de lisibilité, ne sont pas nécessairement à l'échelle. 100181 La présente invention concerne un pénétromètre 100 destiné à être utilisé pour la mesure en mode statique de la résistance à la pénétration d'un sol. 100191 Comme illustré sur la figure la, le pénétromètre 100 comprend au moins une tige centrale 1 terminée à une première extrémité 11 par une pointe de mesure 10. La pointe de mesure 10 peut être solidaire de la première extrémité 11 avec une coulisse, ou alternativement, elle peut être seulement en contact et sera perdue au fond du trou après chaque essai ; cette dernière option peut être d'intérêt lorsque le risque de casse ou de coincement en profondeur est avéré. 100201 Le pénétromètre 100 comprend au moins un tube creux 2 entourant la tige centrale 1. Les diamètres respectifs du tube creux 2 et de la tige centrale 1 sont adaptés de sorte que cette dernière puisse coulisser librement à l'intérieur du tube creux 2. 100211 Le couple formé par la tige centrale 1 et le tube creux 2 est destiné à s'enfoncer dans le sol, la pointe 10 en bout ayant pour fonction de mesurer la résistance à la pénétration du sol. Pour tester la résistance du sol à des profondeurs diverses, des tiges 1 et tubes 2 additionnels peuvent être raccordés bout à bout, pour former un train de couples tige/ tube, pouvant être enfoncé dans le sol sur des profondeurs de plusieurs dizaines de mètres. [0022] Les tube 2 et tige 1 sont préférentiellement formés à partir d'acier présentant une dureté comprise entre 70 à 90 kg/mm2. Le tube 2 présente par exemple un diamètre de 32mm ou 45mm avec passage intérieur de 12mm ou 16mm environ. [0023] Le pénétromètre 100 comprend également une cellule de mesure 3 composée d'une enveloppe externe 31 et d'un logement interne 32. Le logement 32 abrite un dispositif de mesure de contrainte 33. [0024] La cellule de mesure 3 est formée de telle sorte que l'enveloppe externe 31 établisse un contact avec une extrémité 22 du tube creux 2 et que le dispositif de mesure 33, dans le logement 32, établisse un contact avec une deuxième extrémité 12 de la tige centrale 1, lorsque la cellule de mesure 3 est disposée sur le couple formé par le tube creux 2 et la tige centrale 1, en position de mesure. [0025] Avantageusement, la cellule de mesure 3 est prévue pour être amovible, c'est-à-dire qu'elle peut être aisément disposée en position de mesure ou retirée du couple tube 2 / tige 1. [0026] Le pénétromètre 100 comprend en outre une enclume 4 composée d'un pied 41 configure pour chevaucher une partie supérieure de l'enveloppe externe 31, opposée à la partie en contact avec le tube creux 2, et pour prendre appui sur ladite enveloppe externe 31. L'enclume 4 comporte également une tête 42 destinée à accueillir un outil 200 connecté à l'extrémité du bras articulé d'un engin de chantier, pour réaliser un enfoncement dans le sol du couple formé par le tube creux 2 et la tige centrale 1. La figure lb illustre un exemple dans lequel l'outil est un brise-roche 200, dont la broche va venir en appui contre la tête 42 de l'enclume 4. Le brise-roche 200 est monté sur un engin de chantier tel qu'une pelle mécanique. C'est cet engin de chantier qui va fournir les moyens d'appui nécessaires à l'enfoncement de l'ensemble tube 2 / tige 1 dans le sol, pour la réalisation de l'essai de mesure de la résistance à la pénétration du sol. En pratique, le bras articulé de la pelle va exercer un appui régulier, menant à un enfoncement régulier du couple tube 2 / tige 1. [0027] Le pénétromètre 100 selon l'invention est facilement transportable et simple de mise en oeuvre, puisque limité à la seule partie « mesure », les sous-ensembles fonctionnels de massif de réaction et d'appui pour l'enfoncement étant mobilisés sur un engin de chantier, dont la mise à disposition est relativement aisée quel que soit le terrain à investiguer. Le pénétromètre 100 selon l'invention est autonome pour l'évaluation de la résistance du sol car il comporte toute la partie « mesure » nécessaire. Le pénétromètre 100 comporte une enclume 4 adaptée pour coopérer avec un outil 200 (par exemple un brise-roche 200) manoeuvré par un engin de chantier, ce qui rend le pénétromètre utilisable avec des engins classiquement disponibles sur un chantier. [0028] Pour réaliser une mesure de résistance à la pénétration du sol, le pénétromètre 100 est placé verticalement, la pointe de mesure 10 posée sur le sol ou dans un trou préformé de quelques centimètres de profondeur, réalisé par exemple à l'aide de la broche du brise-roche 200. Selon une variante, le couple tige 1 / tube 2 pourra être guidé par un système de croix dont un embout tubulaire central est pré-enfoncé dans le sol et dont les bras disposés en croix permettent d'assurer la stabilité du pénétrornetre 100 en position verticale. [0029] En position de mesure, l'enclume 4 chevauche la cellule de mesure 3, laquelle est disposée sur l'ensemble tube 2 / tige 1. La broche du brise-roche 200 prend alors appui sur la tête 42 de l'enclume 4 et le bras articulé de l'engin de chantier démarre la poussée, générant un enfoncement progressif de la pointe 10 et de l'ensemble tube 2 / tige 1 dans le sol. [0030] Pour mesurer la résistance du sol, la pointe de mesure 10 doit être sortie par rapport à l'extrémité 21 du tube creux 2. En général, on parlera de deux états distincts pour la pointe de mesure 10 : un état sorti, dans lequel la pointe 10 et la tige centrale 1 dépassent de l'extrémité 21 du tube creux 2, c'est l'état dans lequel une mesure de résistance du sol pourra avoir lieu ; un état effacé, dans lequel la pointe de mesure 10 est placée contre l'extrémité 21 du tube creux 2, qui ne permet pas une mesure de résistance du sol. La course de la pointe de mesure 10 entre son état sorti et son état effacé est de quelques centimètres, par exemple 5 cm. Notons que le pénétromètre 100 comprend un dispositif de sortie de pointe, permettant de gérer cette course. Ce dispositif comporte une rallonge de tige centrale 1, qui permet par simple poussée en tête (c'est-à-dire du côté de la deuxième extrémité 12) de sortir la pointe 10 de la longueur de la rallonge. Avantageusement, la rallonge est proposée en un jeu de plusieurs longueurs, afin de compenser les variations de cotes et usures de la tige 1 (ou du train de tiges 1). [0031] Lorsque la pointe de mesure 10 est dans un état sorti, la résistance du sol vue par la pointe 10 peut être mesurée et enregistrée par le dispositif de mesure de contrainte 33. [0032] Ce dispositif 33 peut par exemple être un capteur de pression hydraulique apte à mesurer la force de réaction exercée par la deuxième extrémité 12 de la tige centrale 1, au cours de l'enfoncement de la pointe 10. Alternativement, le dispositif de mesure de contrainte 33 pourra être un dispositif à base de ressort et capteur de pression ou encore un capteur électronique. [0033] La vitesse d'enfoncement de la pointe 10 est définie par les capacités de contrôle d'appui de l'engin de chantier. [0034] Les mesures en mode statique sont habituellement normalisées pour une vitesse d'enfoncement de 2cm/s. Il peut être difficile pour un engin de chantier d'assurer une telle régularité dans l'enfoncement. 6 [0035] Ainsi, le pénétromètre 100 selon l'invention propose avantageusement un dispositif de mesure de contrainte 33 comprenant un vérin hydraulique, électrique ou encore pneumatique (figure 2). Le vérin 33 comprend un piston 33a mobile dans un corps de vérin 33h abrité dans le logement 32 de la cellule de mesure 3. Le piston 33a est en contact avec la deuxième extrémité 12 de la tige centrale 1, lorsque la cellule de mesure 3 est disposée sur l'ensemble formé par le tube creux 2 et la tige centrale 1, en position de mesure. La course du piston 33a est avantageusement choisie d'environ 5 cm. Le vérin comprend en outre un capteur 33c susceptible de mesurer et enregistrer la contrainte appliquée par le piston 33a sur la tige centrale 1. [0036] Dans ce cas, on peut prévoir à profondeurs régulières, par exemple tous les 10 cm, d'effectuer une mesure en mode statique avec un enfoncement contrôlé de 2cm/s. Pour cela, au bout de 10cm d'enfoncement effectué par l'appui croissant du bras articulé de l'engin de chantier, le piston 33a du vérin 33 étant rétracté, la force d'appui est maintenue constante pour arrêter l'enfoncement de la pointe 10 ; puis, le piston 33a, en contact avec l'extrémité 12 de la tige 1, est sorti à une vitesse constante de 2cm/s, générant un enfoncement de la pointe 10 à cette même vitesse. La contrainte appliquée par le piston 33a sur la tige 1 pour induire cet enfoncement est enregistrée et représentative de la résistance à la pénétration du sol. Lorsque la course du piston 33a est terminée, la mesure est interrompue, le piston 33a est rétracté et l'engin de chantier peut ré-augmenter sa force d'appui pour enfoncer le tube 2 jusqu'à être en contact avec la pointe 10. Une nouvelle mesure avec sortie du piston 33a peut alors être effectuée. Alternativement, un enfoncement supplémentaire peut être effectué par l'appui du bras articulé de l'engin de chantier, par exemple sur environ 10 cm, avant de reprendre une mesure à vitesse constante de 2cm/s avec le vérin 33. [0037] Le pénétromètre 100 peut en outre comprendre une interface électronique apte à en- registrer et analyser les différentes mesures issues du dispositif de mesure 33 de la cellule de mesure 3. [0038] Lors d'un essai de résistance à la pénétration d'un sol, il est possible de rencontrer une couche du sol particulièrement résistante, que la force d'appui de l'engin de chantier ne parvient pas à traverser. [0039] Dans un tel cas, le pénétromètre 100 bénéficie du fait que la cellule de mesure 3 est amovible et que le pied 41 de l'enclume 4 est également préférentiellement configuré pour chevaucher le tube creux 2 et y prendre appui. [0040] Avantageusement, la tige centrale 1 comprend, au niveau de sa deuxième extrémité 12, une rallonge 13 dite « drone » en appui d'une part, contre le reste de la tige 1 et d'autre part, contre le dispositif de mesure de contrainte 33. La longueur de la tige centrale 1 est définie de sorte qu'elle ne dépasse pas de l'extrémité 22 du tube creux 2, c'est le drone 13 qui permet de contacter la tige 1 et le dispositif de mesure 33, lorsque 7 la cellule de mesure 3 est disposée sur le couple tige / tube. Lorsque la cellule de mesure 3 est retirée pour placer uniquement l'enclume 4 sur le couple tige / tube, le drone 13 est également retiré. La tige 1 n'étant plus maintenue poussée vers le bas, la pointe 10 va se placer dans son état effacé, plaquée contre l'extrémité 21 du tube creux 2. [0041] Ainsi, la cellule de mesure 3 étant retirée et l'enclume 4 étant positionnée sur le tube creux 2, sans contact avec la tige centrale 1, il est possible d'appliquer au tube creux 2, une vibration à une fréquence déterminée par l'intermédiaire du brise-roche 200. Cette vibration, de type vibro-fonçage, aide à franchir la couche de sol résistante, sans nécessiter un engin de chantier surdimensionné. Il est important que la pointe 10 soit dans son état effacé lors de l'application de la vibration, pour éviter d'endommager la tige 1 et la pointe 10. Préférentiellement, la fréquence déterminée de la vibration est comprise entre 35 et 100 Hz, et l'énergie mécanique pour chaque impulsion ou coup est comprise entre 25 et 400 Joules. [0042] Lorsque la couche de sol résistante est passée, la cellule de mesure 3 et le dronc 13 peuvent être aisément replacés entre le couple tige 1 / tube 2 et l'enclume 4, pour reprendre des mesures de résistance en mode statique. Cette option d'assistance dynamique à l'enfoncement confère au pénétromètre 100 sa qualification de pénétromètre stato-dynamique. [0043] Avantageusement, le pénétromètre 100 selon l'invention comprend un extracteur 5 équipé d'au moins un système de vérin 51 et d'un coinceur automatique de barre 52 pour enserrer le tube creux 2 lors d'une extraction du sol de l'ensemble formé par le tube creux 2 et la tige centrale 1 (figure 3). [0044] Alternativement, le pénétromètre 100 comprend un système d'arrachage 6 équipé d'une tête d'arrachage 61 fixée au moins au tube creux 2 et d'un palonnier 62 disposé sous la tête d'arrachage 6 et muni de câble ou chaine destiné à être fixé à un outil tel qu'un bras de pelle mécanique, lors d'une extraction du sol de l'ensemble formé par le tube creux 2 et la tige centrale 1 (figure 4). [0045] Dans les deux cas précités, pour permettre une extraction du sol simultanée de l'ensemble formé par le tube creux 2 et la tige centrale 1, le tube creux 2 peut comprendre un écrou de retenue 23 pour coopérer avec la tige centrale 1. L'écrou 23 est solidaire de l'extrémité 21 du tube creux 2 et va bloquer la tige 1 au niveau d'une section plus large, ce qui permet de remonter la tige 1 en même temps que le tube creux 2. [0046] Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que définie par les revendications. 8