Brevet FR3160246A1 — publié le 20250919

Dispositif de sondage géotechnique de sol, comprenant une machine de sondage de sol comprenant, entre autres, une tête de forage, un actionneur d’avance de ladite tête de forage, un actionneur principale d’entrainement en rotation de ladite tête de forage et une unité électronique de traitement et des capteurs reliés à l’unité de traitement qui est agencée pour enregistrer des paramètres de sondage en temps réel ; caractérisé en ce que l’actionneur d’avance et la motorisation d’entrainement en rotation de la tête de forage mettent en œuvre un système autonome électrohydraulique proportionnel et en ce que l’unité de traitement est agencée pour acquérir une position géographique de la machine de sondage, accéder à une base de données contenant des caractéristiques de sol en fonction de la position géographique, commander les actionneurs par des instructions déterminées par apprentissage automatique à partir des caractéristiques de sol correspondant à la position géographique acquise, et des paramètres de forage mesurés en temps réel. FIGURE DE L’ABREGE : [Fig. 1] Dispositif et procédé de sondage géotechnique par asservissement électrohydraulique proportionnel piloté par apprentissage automatique La présente invention concerne le domaine du sondage géotechnique. ARRIERE PLAN DE L’INVENTION Dans le milieu de l’aménagement du territoire (exemple : bâtiments et travaux publics (BTP), risques naturels) il est important d’obtenir, un bilan de l’état mécanique des sols. Ces bilans d’état des sols sont générés, entre autres, à partir de données obtenues par des outils de diagnostic (appelés dans l'industrie outils de diagraphie) et permettent de déterminer notamment des données utiles sur la lithologie des couches pour fiabiliser le modèle géotechnique. L’un de ces outils est un dispositif de sondage géotechnique, comprenant : une machine de sondage de sol, comprenant une tête de forage, un actionneur d’avance de ladite tête de forage et une motorisation principale d’entrainement en rotation de ladite tête de forage ; une unité électronique de traitement et des capteurs reliés à l’unité de traitement qui est agencée pour enregistrer des paramètres de sondage en temps réel. La machine de sondage est pourvue d’un système de commande manuel permettant à un opérateur de commander, entre autres, l’avance et la rotation de la tête de forage. La commande de la machine de sondage, notamment pour l’avance et la rotation de la tête de forage, s’effectue de manière manuelle par l’opérateur. Il est également connu de calibrer manuellement la machine de sondage avant utilisation, en fonction des connaissances de l’opérateur sur la nature du sol, afin de pouvoir exploiter la mesure des paramètres de forage dans le bilan de composition des sols. Or, l’intervention humaine sur les réglages ou les commandes de la machine de sondage peut avoir un impact sur la valeur des paramètres de sondage qui sont enregistrés pour déterminer les caractéristiques de sol (nature et mécanique). Il en résulte que des sondages réalisés par plusieurs opérateurs ne permettent pas d’avoir des caractéristiques de sol de manière fiable en ce sens qu’elles ne seront pas forcément comparables. OBJET DE L’INVENTION L’invention a notamment pour but d’effectuer, de manière fiable, des mesures calibrées de paramètres de foration afin d’obtenir, de manière homogène et comparable, la composition des sols par sondage. A cet effet, on prévoit, selon l’invention un dispositif de sondage géotechnique, comprenant : une machine de sondage de sol, comprenant une tête de forage, un actionneur d’avance de ladite tête de forage et une motorisation principale d’entrainement en rotation de ladite tête de forage ; une unité électronique de traitement et des capteurs reliés à l’unité électronique de traitement qui est agencée pour enregistrer des paramètres de forage en temps réel. L’actionneur d’avance et la motorisation principale d’entrainement en rotation de la tête de forage mettent en œuvre un système autonome électrohydraulique proportionnel et en ce que l’unité de traitement est agencée pour : acquérir une position géographique de la machine de forage, accéder à la base de données contenant des caractéristiques de sol en fonction de la position géographique, commander l’actionneur et la motorisation principale à partir d’instructions de commande issues d’un apprentissage automatique, déterminées à partir des caractéristiques de sol correspondant à la position géographique acquise, et des paramètres de forage mesurés en temps réel. L’avance et la rotation de la tête de forage sont commandées automatiquement et de manière proportionnelle, en fonction d’une position géographique du sondage, de caractéristiques de sol déterminées en fonction de la position géographique et des paramètres de forage précalibrés. Selon des caractéristiques optionnelles, utilisées individuellement ou tout ou partie en combinaison : l’unité électronique de traitement est agencée pour commander la machine de sondage de manière à maintenir constante d’une part une contrainte axiale appliquée à la tête de forage lorsque l’extrémité de la tête de forage est en contact avec le sol en cours de forage et d’autre part une vitesse de rotation de la tête de forage ; la base de données est hébergée dans une mémoire de l’unité électronique de traitement ; l’unité électronique de traitement possède en mémoire, pour chaque type de milieu foré, un mode de commande de la machine de sondage, ces modes de commande se caractérisant par des instructions de forage et l’unité électronique de traitement est agencée pour détecter un changement de milieu en fonction d’au moins un seuil prédéfini pour au moins un paramètre de forage ; l’unité électronique de traitement est agencée pour changer de mode de commande de manière autonome ; l’unité électronique de traitement comprend une interface de commande agencée pour permettre à un opérateur de commander un changement de mode de commande ; l’unité électronique de traitement est reliée à un système de géolocalisation pour fournir la position géographique de la machine de sondage ; l’unité électronique de traitement comprend une interface de commande agencée pour permettre à un opérateur de saisir la position géographique de la machine de sondage ; une motorisation hydraulique secondaire est agencée pour entrainer en rotation la tête de forage, un capteur de pression est agencé pour détecter un seuil de pression dans la motorisation principale d’entrainement en rotation de la tête de forage et un commutateur est associé au capteur de pression pour activer la motorisation secondaire afin de conserver une vitesse de rotation constante en cas d’atteinte du seuil de pression dans la motorisation principale. L’invention a également pour objet un procédé de sondage géotechnique comprenant les étapes : effectuer de manière autonome en électrohydraulique proportionnel une avance limitée et une rotation régulée d’une tête de forage ; détecter et adapter des paramètres de forage en temps réel, par apprentissage automatique, durant le sondage. L’avance et la rotation de la tête de forage sont commandées de manière proportionnelle en fonction d’une position géographique du sondage, de caractéristiques de sol déterminées en fonction de la position géographique et de paramètres de sondage. D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation particulier et non limitatif de l’invention. Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels : FIG. 1 la FIG. 1 est une vue schématique en élévation d’une machine de sondage utilisée dans le dispositif selon l’invention ; FIG. 2 la FIG. 2 est un schéma illustrant le fonctionnement global du dispositif de sondage géotechnique selon l’invention ; FIG. 3 la FIG. 3 est un logigramme montrant une mise en œuvre du procédé de sondage géotechnique selon l’invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION L’invention concerne un dispositif de sondage géotechnique qui comprend notamment une machine de sondage 1 et une unité électronique de traitement et de commande 100. La machine de sondage 1 comprend un bâti mobile 11, une armature relevable 12 montée pour pivoter autour d’un axe horizontal sur le bâti 11, et une tête de forage 14 qui coulisse sur l’armature relevable 12 et qui entraine un train de tiges 13. Ce train de tiges 13 tourne autour d’un axe de rotation confondu avec un axe central du train de tiges 13. La machine de sondage 1 comprend également plusieurs actionneurs hydrauliques. Un actionneur 15.1 permet l’avance ou le recul de la tête de forage 14 et donc du train de tiges 13. Cet actionneur 15.1 incorpore un premier circuit hydraulique 16.1 possédant un motoréducteur ou un vérin 22.1 apte à convertir la pression dans ledit premier circuit 16.1 en un mouvement de translation du train de tiges 13. La pression hydraulique dans le premier circuit 16.1 est régulée par un distributeur électrohydraulique proportionnel 17.1 appartenant au premier circuit 16.1. On comprend que la pression au sein du premier circuit hydraulique 16.1 conditionne la vitesse d’avance de la tête de forage 14. En commandant le distributeur électrohydraulique proportionnel 17.1 du premier circuit 16.1, il est donc possible de contrôler de manière précise et analogique la pression au sein dudit premier circuit 16.1, et donc la vitesse d’avancement de la tête de forage 14. Une motorisation principale 15.2, indépendante de l’actionneur 15.1, permet l’entrainement en rotation de la tête de forage 14. Cette motorisation principale 15.2 incorpore un second circuit hydraulique 16.2 possédant un moteur hydraulique 22.2 apte à convertir le débit de fluide circulant au sein dudit deuxième circuit 16.2 en un mouvement de rotation de la tête de forage. Le débit circulant dans ce second circuit 16.2 est régulé par un régulateur électrohydraulique proportionnel de débit 17.2. En commandant ce régulateur électrohydraulique proportionnel de débit 17.2, il est possible de contrôler de manière précise et analogique le débit du fluide au sein du second circuit 16.2, et donc, contrôler précisément la vitesse de rotation de la tête de forage 14. Une motorisation auxiliaire 15.3 est installée, au sein du dispositif, en parallèle de la motorisation principale 15.2. La motorisation auxiliaire 15.3 est agencée pour entrainer en rotation la tête de forage 14. Cette motorisation auxiliaire 15.3 incorpore un moteur hydraulique 22.3 apte à convertir le débit de fluide circulant au sein dudit deuxième circuit 16.2 en un mouvement de rotation de la tête de forage. Le circuit hydraulique de la motorisation auxiliaire 15.3 est le même que celui de la motorisation principale 15.2. Cette motorisation auxiliaire 15.3 est actionnée par un commutateur 18 lorsqu’une surpression est détectée dans le second circuit hydraulique 16.2. La motorisation auxiliaire 15.3 ne fonctionne pas lors du fonctionnement normal du dispositif. L’actionnement de cette motorisation auxiliaire 15.3 permet à la tête de forage 14 de conserver une vitesse de rotation constante en cas de seuil limite de pression atteint dans la motorisation principale 15.2. L’unité de traitement 100 comprend au moins un processeur, une mémoire contenant des programmes exécutables par le processeur, une interface de liaison avec la machine de forage 1 pour lui envoyer des signaux de commande et recevoir des signaux de mesure provenant de capteurs implantés dans la machine de sondage 1, une interface homme-machine pour permettre à un opérateur de communiquer avec l’unité de traitement 100, une carte électronique de contrôle précise des fonction électrohydraulique, une carte de télécommunication et un récepteur de signaux satellitaires de géolocalisation 19. L’interface de l’unité de traitement 100 est ainsi connectée à un ensemble de capteurs 20 permettant l’acquisition de paramètres de mesure, notamment : des capteurs de pression, un accéléromètre, un débitmètre et un encodeur. Parmi ces paramètres acquis par l’unité de traitement 100, on retrouve : la longueur de pénétration (encodeur) ; la pression de poussée (capteur de pression) ; la pression de retenue (capteur de pression) ; la pression du fluide de forage chargé du refroidissement de la tête de forage et de l’évacuation des débris de forage (capteur de pression) ; le débit d’injection du fluide de forage (débitmètre) ; la vitesse de rotation de la tête de forage (débitmètre et tachymètre) ; le couple de rotation (capteur de pression) ; l’énergie réfléchie(accéléromètre). L’ensemble des données mesurées est enregistré de manière locale sur un système physique de stockage 21 connecté à l’unité de traitement 100. L’unité de traitement 100 est programmée pour acquérir en donnée d’entrée les données de géolocalisation provenant du récepteur de signaux satellitaires de géolocalisation 19 permettant à ladite unité de traitement 100 de pouvoir connaitre sa position. L’unité de traitement 100 est également programmée pour se connecter via la carte de télécommunication à un réseau et à accéder au contenu d’une base de données géotechniques extérieure. La base de données regroupe un ensemble de données géotechniques d’archives. La base de données contient également des caractéristiques de compositions des sols répertoriées en fonction de la position géographique et l’ensemble des données mesurées préalablement par le dispositif de sondage géotechnique. Lors de la communication entre l’unité de traitement et la base de données, l’unité de traitement 100 est programmée pour : récupérer depuis ladite base de données, les caractéristiques de sols correspondant à la position géographique correspondant aux données de géolocalisation ; faire mémoriser dans la base de données l’ensemble des données mesurées et la position géographique correspondante pour qu’elles y soient archivées. L’unité de traitement 100 est programmée pour : acquérir une position géographique de la machine de forage 1, accéder à la base de données contenant des caractéristiques de sol en fonction de la position géographique, commander l’actionneur 15.1 et la motorisation principale 15.2 à partir d’instructions de commande déterminées par apprentissage automatique (ou machine learning ) à partir des caractéristiques de sol correspondant à la position géographique acquise, et des paramètres de forage mesurés en temps réel (ceci est présenté plus en détail plus loin). Dans le but de mesurer le plus précisément possible la réaction du milieu foré (i.e. le sol) lors du sondage, et ainsi déterminer ses caractéristiques, la valeur de la pression appliquée à la tête de forage 14 contre le sol est maintenue constante par l’unité de traitement 100. L’unité de traitement 100 commande l’actionneur 15.1 d’avance de la tête de forage 14 de manière à appliquer une contrainte axiale constante lors du forage, c’est-à-dire lorsque l’outil du train de tiges de forage 13 est en contact avec le sol en cours de sondage. De préférence, l’unité de traitement 100 possède en mémoire plusieurs modes de commande de la machine de sondage 1 correspondant chacun à un type de milieu à sonder (par exemple, sol calcaire, sol calcaire avec marnière, sol granit… ou plus grossièrement sol dur, sol mou…). Chaque mode de commande de la machine de sondage 1 comporte des instructions à exécuter par les différents actionneurs de la machine de sondage 1 pour acquérir le plus efficacement possible les données mesurées. Chaque mode de commande correspond à une calibration adaptée au milieu concerné. Cette calibration permet notamment de limiter des valeurs nominales de vitesse d’avancement et réguler des vitesses de rotation et d’ajuster la vitesse d’avancement et la vitesse de rotation de la tête de forage 14 entre des valeurs minimale et maximale correspondant au milieu. L’unité de traitement 100 est programmée pour détecter un changement de milieu lors du forage, en fonction du passage d’au moins un seuil prédéfini pour au moins un paramètre de forage. L’unité de traitement change donc de mode de fonctionnement de manière autonome, c’est-à-dire sans intervention d’un opérateur. Le contrôle de la vitesse d’avance maximale et de la vitesse de rotation maximale de la tête de forage 14 est effectué de manière analogique et est assuré par le régulateur électrohydraulique proportionnel et le distributeur électrohydraulique proportionnel, permettant d’améliorer la qualité et la comparabilité des essais de forage. Extérieurement au dispositif de sondage, au niveau du serveur hébergeant la base de données, les paramètres mesurés sont utilisés par un système d’apprentissage statistique fonctionnant par apprentissage automatique (couramment appelé machine learning ). Ce système permet par apprentissage, de déduire le comportement moyen des sols en fonction de la localisation. Cet apprentissage se base sur les données acquises sur différents sites précédemment sondés, et sur des conclusions d’ingénierie qui découlent de ces mesures c’est-à-dire une phase d’exploitation humaine dont les conclusions sont fournies au système d’apprentissage sous une forme et dans un format informatique exploitables par ce dernier. Avec cette base de données et les paramètres moyens obtenus par apprentissage automatique, le dispositif de sondage sera en mesure d’être configuré et calibré pour une localisation donnée. L’ensemble des informations de la base de données est traité via apprentissage automatique puis transmise au niveau de la phase d’exploitation pour une amélioration de la pertinence de l’analyse, et au niveau de l’unité de traitement 100 pour une amélioration de la calibration de la machine de sondage 1. Dans le but de permettre à l’unité de traitement 100 de déterminer l’efficacité de la calibration de la machine de forage pour une condition de sondage, il est nécessaire que le type d’outils de tête de forage 14 soit acquis et enregistré par ladite unité de traitement 100 et que l’outil de sondage soit conservé toute la durée du sondage. Cette acquisition peut être manuelle (enregistrement d’un code associé à la tête de forage, lecture d’un code-barre) ou automatique (la tête de forage est pourvue d’un circuit NFC par exemple RFID qui peut être lu par un lecteur de la machine lorsque la tête est en place sur le train de tiges). Afin de prendre en compte, lors de l’exploitation des résultats d’un sondage, l’influence de la machine de forage 1, on prévoit un enregistrement systématique des paramètres et des caractéristiques de la machine de forage 1. Le réglage manuel de certains paramètres de la machine de forage 1 doit être défini sur des valeurs prédéterminées. Dans le but de prendre en compte l’influence de la machine de forage 1 sur les résultats obtenus, il est également prévu de faire fonctionner les différents composants de la machine de forage 1, significativement en dessous de leur capacité maximale pour garantir la réussite et la qualité de la prise de mesure. Il est de préférence prévu que la machine de forage 1 puisse réaliser un martèlement lors du forage de milieux durs : il est alors nécessaire que le recours à un tel martèlement soit enregistré pour être pris en compte lors de l’exploitation des résultats de forage. Dans le but de réduire au maximum l’influence de l’opérateur sur les résultats, il est donc important que l’opérateur enregistre toute action qu’il réalise, comme par exemple le martèlement, ou le débit et la pression lors de l’utilisation d’une pompe à boue par exemple. L’opérateur a une influence car il peut activer manuellement la motorisation auxiliaire et donc influer sur la pression et le débit d’injection en sortie de motorisation d’entrainement. Le fait de contrôler la vitesse de rotation de manière électrohydraulique va permettre de décharger l’opérateur du contrôle et de l’influence qu’il peut avoir à ce niveau. De même cela permettra d’enregistrer et de noter automatiquement l’activation du moteur secondaire. Il est prévu que les mesures soient acquises et enregistrées par l’unité de traitement 100 avec une fréquence permettant une résolution d’au moins une mesure par centimètre, et ce, même lorsque la vitesse de progression du forage est maximale. L’unité de mesure 100 est agencée pour effectuer l’acquisition de données en obéissant aux commandes telles que : Démarrer les mesures ; Envoyer les mesures ; Mettre en pause les mesures ; Reprendre les mesures ; Arrêter les mesures. L’ensemble des données mesurées sont ensuite transmises au système de stockage physique 21 connecté à l’unité de traitement, avant d’être envoyé sur la base de données. Bien entendu, l’invention n’est pas limitée au mode de réalisation décrit mais englobe toute variante entrant dans le champ de l’invention telle que définie par les revendications. En particulier, bien que le changement de mode de fonctionnement en fonction du milieu foré soit assuré de manière autonome par l’unité de traitement, on envisage le cas où le dispositif comprend une interface de commande agencée pour permettre à un opérateur de commander manuellement un changement de mode fonctionnement. Concernant l’acquisition des données de géolocalisation, bien que le dispositif dans le mode de réalisation décrit dispose d’un récepteur de signaux satellitaires de géolocalisation permettant l’acquisition automatique de la géolocalisation, on envisage le cas où le dispositif comprend une interface de commande agencée pour permettre à un opérateur de saisir la position géographique de la machine. Bien que le sondage décrit dans la description soit purement destructif, on envisage le fait que le dispositif de sondage soit également employé pour réaliser des prélèvements dans une opération de carottage, de tarière, et de mesures pressiométriques nécessitant l’utilisation d’un trépan adapté à cela. La base de données peut contenir uniquement des caractéristiques de sol en fonction de la localisation : l’unité de traitement est agencée pour élaborer les commandes de la machine à partir des caractéristiques de sol correspondant à sa localisation. En variante, la base de données peut contenir également des commandes de la machine qui ont été déterminées à partir des caractéristiques de sol correspondant à la localisation : l’unité de traitement est alors agencée pour exploiter directement les commandes issues de la base de données. Le machine learning (ou apprentissage automatique) s’effectue de préférence sur un serveur externe, entre la base de données et l’unité de traitement. Le machine learning ne s’effectue donc pas dans l’unité de traitement dans le mode de réalisation envisagé. Le machine learning est agencé pour obtenir les paramètres de configuration qui sont transmis à l’unité de traitement qui va par la suite configurer la machine de sondage. La configuration des commandes des actionneur/motorisations est effectuée après la détermination des instructions par machine learning. Il est prévu que les composants électroniques du dispositif répondent aux conditions de mesures en extérieur, par exemple grâce à une tropicalisation des composants. Dispositif de sondage géotechnique, comprenant : une machine de sondage de sol (1), comprenant une tête de forage (14), un actionneur (15.1) d’avance de ladite tête de forage et une motorisation (15.2) principale d’entrainement en rotation de ladite tête de forage (14) ; une unité électronique de traitement (100) et des capteurs (20) reliés à l’unité électronique de traitement (100) qui est agencée pour enregistrer des paramètres de forage en temps réel ; caractérisé en ce que l’actionneur (15.1) d’avance et la motorisation principale (15.2) d’entrainement en rotation de la tête de forage (14) mettent en œuvre un système autonome électrohydraulique proportionnel et en ce que l’unité de traitement est agencée pour : acquérir une position géographique de la machine de forage, accéder à la base de données contenant des caractéristiques de sol en fonction de la position géographique, commander l’actionneur et la motorisation principale à partir d’instructions de commande issues d’un apprentissage automatique, déterminées à partir des caractéristiques de sol correspondant à la position géographique acquise, et des paramètres de forage mesurés en temps réel. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’unité électronique de traitement (100) est agencée pour commander la machine de forage (1) de manière à maintenir constante d’une part une contrainte axiale appliquée à la tête de forage (14) lorsque l’extrémité de la tête de forage (14) est en contact avec le sol en cours de forage et d’autre part une vitesse de rotation de la tête de forage. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la base de données est hébergée dans une mémoire de l’unité électronique de traitement (100). Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dont l’unité électronique de traitement (100) possède en mémoire, pour chaque type de milieu foré, un mode de commande de la machine de forage (1), ces modes de commande se caractérisant par des instructions de forage et l’unité électronique de traitement (100) est agencée pour détecter un changement de milieu en fonction d’au moins un seuil prédéfini pour au moins un paramètre de forage. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel l’unité électronique de traitement (100) est agencée pour changer de mode de commande de manière autonome. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel l’unité électronique de traitement (100) comprend une interface de commande agencée pour permettre à un opérateur de commander un changement de mode de commande. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’unité électronique de traitement (100) est reliée à un système de géolocalisation (19) pour fournir la position géographique de la machine de sondage (1). Dispositif selon l’une des revendications 1 à 6, dans lequel l’unité électronique de traitement (100) comprend une interface de commande agencée pour permettre à un opérateur de saisir la position géographique de la machine de forage (1). Dispositif selon la revendication 1, comprenant une motorisation (15.3) hydraulique secondaire agencée pour entrainer en rotation la tête de forage (14), un capteur de pression agencé pour détecter un seuil de pression dans la motorisation principale d’entrainement en rotation de la tête de forage (14), et un commutateur (18) associé au capteur de pression pour activer la motorisation (15.3) secondaire afin de conserver une vitesse de rotation constante en cas d’atteinte du seuil de pression dans la motorisation principale (15.2). Procédé de sondage géotechnique comprenant les étapes : effectuer de manière autonome en électrohydraulique proportionnel une avance limitée et une rotation régulée d’une tête de forage ; détecter et adapter des paramètres de forage en temps réel, par apprentissage automatique, durant le sondage ; caractérisé en ce que l’avance et la rotation de la tête de forage (14) sont commandées de manière proportionnelle en fonction d’une position géographique du sondage, de caractéristiques de sol déterminées en fonction de la position géographique et de paramètres de sondage.