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SONDE A CORPS PLEIN
L'invention concerne une sonde, notamment
géotechnique ou géophysique, et plus particulièrement une
sonde utilisable dans un pressiomètre.
On connaît différents types de sonde permettant de
déterminer les caractéristiques d'un sol. Les sondes
géotechniques sont utilisées pour déterminer les
caractéristiques techniques d'un sol, comme par exemple la
résistance mécanique. On emploie également des sondes
géophysiques pour évaluer les caractéristiques physiques et
chimiques des sols.
Un type de sonde géotechnique bien connue est la
sonde pour pressiomètre. Un pressiomètre est un appareil
qui permet de mesurer in situ les caractéristiques de
résistance et de déformabilité d'un sol. Il est constitué
d'une sonde cylindrique tricellulaire, dilatable
radialement, d'un ensemble d'organes de mise en pression et
de régulation pneumatique, et d'un contrôleur de volume.
Cet appareil permet de connaître l'augmentation du volume
d'une tranche de forage en fonction des pressions
appliquées.
Ces pressiomètres sont bien connus de l'Homme du
métier depuis leur invention par L. Ménard en 1955. Ils
sont notamment décrits dans les brevets FR 1.117.983 et
FR 2 766 229.
Toutefois, l'utilisation de plusieurs fluides pour
dilater les différentes cellules de la sonde tricellulaire
nécessite d'avoir pour chaque fluide un réservoir disposé
en surface et de relier ledit réservoir à la sonde par un
conduit. La mesure de l'augmentation du volume est alors
perturbée par le poids de chaque colonne de fluide entre la
surface et la sonde, par la déformation et la perte de
charge de chaque conduit entre la surface et la sonde.
De plus, lors de la mise en place des sondes
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géotechniques ou géophysiques dans le sol, lors ae
l'opération de forage, les sondes traditionnelles s'avèrent
insuffisamment résistantes d'un point de vue mécanique,
particulièrement lors du battage de la sonde, c'est-à-dire
lorsqu'elle est soumise à une frappe ou percussion pour son
introduction dans le sol. L'invention propose une sonde
permettant de remédier à ces inconvénients.
L'invention a ainsi pour objet une sonde géotechnique
ou géophysique, du type comportant un corps de sonde
central destiné à alimenter en un ou plusieurs fluides, à
l'aide d'un ou plusieurs conduits d'alimentation en
fluides, au moins un élément de la sonde adjacent au corps
de sonde, remarquable en ce qu'elle comprend un réservoir
sensiblement indéformable destiné à contenir des volumes
complémentaires d'un premier fluide et d'un deuxième
fluide, le volume du premier fluide du réservoir étant en
communication avec au moins un premier conduit
d'alimentation, le volume du deuxième fluide du réservoir
étant au moins relié au deuxième conduit d'alimentation,les
conduits étant ménagés dans une zone pleine du corps de
sonde.
La zone pleine peut être une partie du corps de
sonde, ou de préférence le corps de sonde lui-même, de
façon à mieux répartir les efforts mécaniques lors du
battage de la sonde.
Le ou les conduits d'alimentation en fluides peuvent
avantageusement être réalisés par perçage.
Le corps de sonde peut être cylindrique, c'est-à-dire
une surface engendrée par le mouvement d'une droite gardant
toujours la même orientation et s'appuyant sur une courbe
fermée. La courbe est de préférence un cercle.
Le corps de sonde cylindrique est avantageusement
muni d'une ou plusieurs zones externes filetées, afin de
faciliter la transmission des efforts de frappe dans la
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sonde.
Les zones externes filetées sont de préférence
disposées à chacune des extrémités du corps de sonde.
Les filets utilisés sont de préférence de type corde.
On entend par filetage corde un ensemble de filets de
profil sensiblement sinusoïdal ou trapézoïdal.
On pourra notamment mettre en uvre les filetages
corde décrits dans la norme ISO 10208.
Le pas des filets est de préférence compris entre 10
et 30 mm.
La profondeur des filets est de préférence comprise
entre 1 et 5 mm.
La sonde selon l'invention peut être une sonde
pressiométrique. Selon ce mode de réalisation, les conduits
d'alimentation en fluide comprennent un premier conduit
d'alimentation en fluide et un deuxième conduit
d'alimentation en fluide, les éléments alimentés en fluides
comprenant un manchon gonflable central, deux manchons
gonflables adjacents au manchon central et situés de part
et d'autre de ce dernier, les trois manchons entourant le
corps de sonde, le manchon central étant relié au premier
conduit d'alimentation en fluide, les manchons adjacents au
manchon central étant reliés au deuxième conduit
d'alimentation en fluide.
La sonde comprend donc un réservoir qui contient des
volumes complémentaires de gaz et de liquide ; le volume de
liquide du réservoir étant en communication avec le manchon
central via le premier conduit d'alimentation en fluide, le
volume de gaz du réservoir étant relié au deuxième conduit
d'alimentation en fluide. En outre, le réservoir est
adjacent au corps de la sonde, avantageusement disposé au-
dessus du corps de sonde lorsque cette dernière est en
configuration opérationnelle, et se déplace par conséquent
simultanément avec ledit corps de la sonde. De cette façon,
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l'alimentation de la sonde, depuis la surface, ne nécessite
plus de conduit de liquide mais qu'un seul conduit de gaz.
De plus, le volume de liquide est mesuré de façon simple et
fiable car la mesure obtenue n'est pas perturbée par :
- le poids de la colonne de liquide entre la surface
et la sonde dans le forage,
- la déformation du conduit de liquide qui, dans les
pressiomètres existants, relie généralement le premier
manchon au réservoir disposé en surface,
- l'inertie qu'oppose ce conduit à la circulation de
liquide entre la surface et la sonde.
Le réservoir peut comprendre un capteur de volume
propre à fournir un signal lié au volume du liquide dans le
réservoir. Le capteur de volume peut par exemple comprendre
un détecteur de niveau de liquide.
Le détecteur de niveau de liquide peut comprendre au
moins un élément résistif destiné à être immergé, au moins
partiellement, dans le volume de liquide du réservoir,
l'élément résistif étant disposé sensiblement parallèlement
à l'axe du réservoir.
Le réservoir peut notamment être cylindrique.
Le conduit d'alimentation en fluide peut être relié,
dans le réservoir, d'une part à un premier clapet
permettant l'admission du fluide dans le réservoir, et
d'autre part à un deuxième clapet permettant l'échappement
du fluide hors du réservoir.
Les clapets peuvent comprendre un corps de clapet
muni de deux zones filetées séparées par une butée, le
corps de clapet étant prolongé par un élément tubulaire
plus fin que le corps de clapet et comprenant un orifice de
sortie de gaz recouvert d'une enveloppe cylindrique
élastique.
Ces clapets peuvent avantageusement être vissés dans
une zone filetée réalisée dans une zone pleine du
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réservoir.
L'invention a également pour objet un pressiomètre,
comprenant :
- une sonde pour pressiomètre tel que décrit ci-
dessus,
- un équipement de surface comprenant une source de
gaz sous pression, un conduit reliant la source de gaz au
réservoir de la sonde, un capteur de pression propre à
fournir un signal lié à la pression dans le réservoir de la
sonde et,
- des moyens de raccordement de la sonde à
l'équipement de surface.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention
ressortiront clairement de la description qui en est faite
ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en
référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est une première vue ouverte d'un corps
de sonde pour pressiomètre selon l'invention ;
- la figure 2 est une deuxième vue ouverte d'un corps
de sonde pour pressiomètre selon l'invention ;
- la figure 3 est une vue en coupe axiale partielle
et fractionnée d'une sonde pour pressiomètre selon un mode
de réalisation de l'invention ;
- la figure 4 illustre un pressiomètre comprenant une
sonde selon l'invention.
Tel qu'illustré à la figure 1, le corps de sonde 1
pour pressiomètre comprend un premier conduit 40
d'alimentation en un premier fluide et un deuxième
conduit 41 d'alimentation en un deuxième fluide, en vue
ouverte. Le premier conduit 40 d'alimentation en un premier
fluide est un conduit d'alimentation en liquide destiné à
alimenter un manchon gonflable central, non représenté. Le
deuxième conduit 41 d'alimentation en un deuxième fluide
est un conduit d'alimentation en gaz destiné à alimenter
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deux manchons gonflables adjacents au manchon central, non
représentés.
Le conduit 40 d'alimentation en liquide et le
conduit 41 d'alimentation en gaz ont été obtenus par
perçage du corps de sonde 1.
Les deux conduits 40, 41 d'alimentation en fluide
sont ainsi ménagés dans un corps de sonde plein, tandis que
dans les sondes traditionnelles, ce sont des tubes soudés
dans le corps de sonde. Le corps de sonde 1 selon
l'invention permet d'éviter la présence de ces soudures qui
sont fragiles et qui peuvent céder pendant le forage sous
l'effet du battage de la sonde, ou sous l'effet de la
pression des fluides pendant les essais pressiométriques.
On assure ainsi également une meilleure étanchéité des
conduits 40, 41 d'alimentation.
Le corps de sonde 1 est en outre muni de deux zones
externes filetées 42, 43, chacune étant disposée à une
extrémité du corps de sonde 1. Les zones filetées 42, 43
sont munies de filets de type corde. De cette façon, on
améliore la transmission des efforts de frappe dans la
sonde.
La figure 2, où les éléments identiques portent les
mêmes références, montre en vue ouverte le conduit 40
d'alimentation en liquide vers un manchon gonflable
central, adjacent au corps de sonde 1 et non représenté.
La sonde pressiométrique illustrée à la figure 3
comprend un corps de sonde 1 et trois manchons annulaires
gonflables 21, 22, et 23.
Le corps de sonde 1 s'étend le long de l'axe Z de la
sonde et comprend un conduit 40 d'alimentation en eau et un
conduit 41 d'alimentation en gaz.
Les manchons 21, 22 et 23 entourent le corps de
sonde 1 et s'étendent respectivement sur trois sections
longitudinales adjacentes et successives de la sonde,
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notées S1, S2, et S3.
Le manchon central 21 est relié au conduit 40, tandis
que les manchons 22 et 23, qui sont disposés de part et
d'autre du manchon central 21, sont reliés chacun au
conduit 41 d'alimentation en gaz, ce gaz étant généralement
constitué par de l'azote sous pression.
Les manchons 21 à 23 sont réalisés à partir d'un seul
manchon élastique 2 gainant un mandrin cylindrique creux 3
lui-même enfilé de façon amovible et étanche sur le corps
de sonde 1, le corps de sonde 1 présentant à cette fin une
surface externe s'inscrivant dans un cylindre.
Plus précisément, le mandrin 3 présente trois
orifices de fluide isolés les uns des autres de façon
étanche, notés 31, 32, et 33, et s'ouvrant respectivement
dans les trois sections longitudinales S1, S2, et S3 de la
sonde.
L'orifice 31 de la section centrale S1 est relié au
conduit 40 d'alimentation en eau, tandis que chacun des
deux autres orifices 32 et 33, est relié au conduit 41
d'alimentation en gaz.
Pour définir les trois manchons 21, 22 et 23 et
former les trois sections longitudinales
correspondantes S1, S2, et S3 de la sonde, le manchon
élastique 2 est fractionné au moyen de cerclages tels
que 4e et 4i qui l'appliquent localement et de façon
étanche sur la face externe du mandrin 3.
Ces cerclages comprennent notamment deux cerclages
d'extrémité 4e constitués chacun d'un sertissage
métallique.
Le manchon 2 est recouvert d'une gaine mécanique de
protection déformable 5, par exemple réalisée dans un
textile enduit, et les sertissages métalliques 4e sont
appliqués sur cette gaine 5.
Les cerclages comprennent deux cerclages
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intermédiaires 4i destinés à assurer la séparation entre le
manchon central 21 et les manchons de garde 22 et 23.
Pour des raisons de taille de représentation, seul
l'emplacement des cerclages 4i est rendu visible sur la
figure 3. Chacun des cerclages intermédiaires 4i est
avantageusement constitué par une pluralité de spires d'un
lien souple enroulé sous tension autour du manchon 2, ces
spires étant de préférence maintenues les unes par rapport
aux autres et sous tension par encollage.
Pour faciliter la pose et la tenue des cerclages
intermédiaires 4i, le mandrin 3 présente de préférence deux
rainures périphériques externes 30, chaque cerclage
intermédiaire 4i pouvant ainsi appliquer le manchon
élastique 2 sur le fond de l'une de ces rainures 30.
Enfin, la sonde est équipée de joints toriques 6
installés dans des rainures périphériques externes 10 du
corps de sonde 1 et isolant les uns des autres, de façon
étanche, les trois orifices de fluide 31, 32 et 33
pratiqués dans le mandrin 3.
La figure 4 montre un pressiomètre comprenant une
sonde 50 destinée à être introduite dans un forage F, un
équipement de surface 52, et des moyens de raccordement,
permettant notamment de relier la sonde 50 à
l'équipement 52.
La sonde 50 comprend trois manchons gonflables, à
savoir un manchon principal et central 21, et deux manchons
auxiliaires 22 et 23, adjacents au manchon central 21 et
situés de part et d'autre de ce dernier.
Le manchon principal 21 est essentiellement formé par
une membrane élastique annulaire susceptible d'être gonflée
par injection d'un liquide L sous pression, par exemple de
l'eau, provenant d'un réservoir 53 et acheminé par un
conduit 40 d'alimentation en eau. Le conduit 40 est réalisé
par perçage dans le corps de sonde 1.
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La sonde comprend un outre un réservoir 53, par
exemple réalisé dans un cylindre métallique sensiblement
indéformable aux pressions considérées, de façon à ce que
la variation de volume de liquide dans le réservoir 53 soit
uniquement due à la déformation du manchon central 21. Le
réservoir 53 contient, au-dessus du liquide L, un gaz G de
propulsion tel que de l'azote pressurisé, le liquide et le
gaz occupant des volumes respectifs et complémentaires V1
et Vg de ce réservoir 53.
L'équipement de surface 52 comprend typiquement une
source 71 de gaz propre à délivrer le gaz G sous pression
et reliée au volume de gaz Vg du réservoir 53 par un
conduit 81 d'alimentation en gaz.
L'équipement de surface 52 comprend également des
moyens de contrôle de débit, tels que 220-222, qui sont
interposés sur le conduit 81 et qui permettent de contrôler
le passage du gaz G de la source 71 vers le réservoir 53,
et donc le passage du liquide L du réservoir 53 vers le
manchon 21 à travers le conduit 40.
Le pressiomètre comprend également un capteur de
pression 54 et un capteur de volume 61, le capteur de
pression 54 étant conçu pour fournir un signal Sp lié à la
pression du liquide L dans le réservoir 53, et le capteur
de volume 61 étant conçu pour fournir un signal Sv lié au
volume Vi du liquide dans le réservoir 53.
Le capteur de volume 61 comprend un détecteur de
niveau de liquide logé dans le réservoir 53, ce réservoir
étant porté par la sonde 50 'et disposé au-dessus du corps
de sonde 1 lorsque la sonde 50 est en placée dans un
forage F.
Un lien de transmission 70 est alors prévu pour
relier le détecteur de niveau 61 à l'équipement de
surface 52, ce lien étant par exemple constitué par une
ligne électrique dans le cas avantageux où le signal de
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volume Sv est de nature électrique.
Dans un mode de réalisation efficace de l'invention,
le détecteur de niveau 61 est de type résistif.
Le capteur de pression 54 peut quant à lui être
disposé dans la phase gazeuse du contenu du réservoir 53,
et notamment dans le conduit 81 d'alimentation en gaz G.
Les manchons gonflables auxiliaires 22 et 23 sont
sélectivement gonflés par le gaz G, et à cette fin reliés,
par un conduit 41 au volume Vg de gaz G du réservoir 53. Le
conduit 41 est réalisé par perçage dans le corps de
sonde 1.
La précision du pressiomètre de l'invention peut
encore être augmentée en dotant l'équipement de surface de
moyens de pilotage de pression, et en prévoyant que les
moyens de contrôle de débit comprennent un ajutage 221 et
un clapet 222, par exemple intégrés à une électrovalve 220.
Dans le mode de réalisation illustré, les moyens de
pilotage de pression comprennent une unité de commande 7
propre à actionner le clapet 222, et un ordinateur 8 relié
à l'unité de commande 7 et la pilotant.
L'ordinateur 8 est doté d'une mémoire dans laquelle
est stockée une pluralité de consignes de pression de
valeurs croissantes Kpi, un programme PROG d'application
successive dans le temps de ces consignes Kpi, et une loi
de correspondance CORR permettant de déterminer, au moins
sur la base des consignes Kpi, des intervalles de temps
respectifs correspondants Tpi.
