Essais cycliques aux pressiomètres Ménard et autoforeur

Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2012 -Bordeaux 4-6 juillet 2012
ESSAIS CYCLIQUES AUX PRESSIOMETRES MENARD ET
AUTOFOREUR
CYCLIC TESTS USING MÉNARD AND SELFBORING PRESSUREMETERS
Philippe REIFFSTECK 1 , Jean-Claude DUPLA 2 , Gilles DESANNEAUX 3 , Jean-Louis
TACITA 1 , Sonia FANELLI 1
1 Université Paris Est, IFSTTAR-LCPC, Paris, France
2 CETE de l’Ouest, MEEDDTL, Saint-Brieuc, France
3 Université Paris Est, Navier Géotechnique, Marne-la-Vallée, France
RÉSUMÉ — Dans le cadre du projet national Solcyp, des essais d’expansion
cycliques ont été réalisés avec un pressiomètre de type Ménard et au pressiomètre
autoforeur. Trois sites ont été étudiés permettant d’observer le comportement de
matériaux sableux et argileux normalement consolidé et surconsolidé. Cette
communication expose le matériel utilisé ainsi que les procédures suivies. Une
synthèse des résultats des essais obtenus sur ces trois sites est présentée.
ABSTRACT — Cyclic expansion tests have been performed in the Solcyp French
national project using Ménard pressuremeter and self boring pressuremeter. Three
sites have been investigated allowing comparison of tests done in sandy and
normally and over consolidated clayey soils. This paper presents the apparatus
tested and the procedure applied. A summary of the results collected during
experimental campaign is presented.
1. Introduction
Avec le matériel d’essai pressiométrique Ménard, il est possible de réaliser des
essais d’expansion par palier (norme NF P94-110-1) et des essais cycliques (norme
NF P94-110-2) (AFNOR, 1999 et 2000). Ces derniers essais comportent un cycle
réalisé par paliers, dans les mêmes conditions que l’essai pressiométrique Ménard
objet de la norme NF P 94-110-1. L’essai d’expansion classique, dans les conditions
de forages préconisées par la norme NF P 94-110-1 et avec le protocole de
chargement proposé, ne donne pas de résultats utilisables directement dans une
étude de la déformabilité des ouvrages notamment lorsque la connaissance des
modules en petite déformation est nécessaire (Combarieu et Canépa, 2001).
Les essais avec boucle de déchargement-rechargement permettent de déterminer
un module cyclique de déformation. Les valeurs obtenues sont intermédiaires entre
les modules en petites déformations obtenus au laboratoire, ou avec des essais de
propagation d’ondes in situ, et les modules Ménard usuels. Elles sont souvent
utilisées pour calculer la déformation des ouvrages en adoptant un comportement
élastique linéaire pour modéliser le sol.
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Toutefois, un seul cycle est insuffisant pour cerner l’évolution des caractéristiques du
sol. L’étude présentée comporte des essais réalisés avec la technique de la sonde
mise en place dans un trou pré-foré ou foré à l’avancement. Elle apporte quelques
éléments de réponse pour le choix du protocole et de la méthode de forage.
2. Dispositif expérimental
Le principe de l’essai consiste à mesurer l’évolution du volume injecté lors de
l’application de cycles de pression.
2.1. Matériel
La mesure de la variation de volume en fonction des cycles se faisant soit par
mesure du volume d’eau injecté, soit par mesure du déplacement d’un palpeur
(Figure 1). L’idée étant de pouvoir réaliser des essais avec une sonde
pressiométrique mise en œuvre par autoforage ou dans un pré-forage de type
Ménard (AFNOR, 2000).
PC
acquisition
PC
eau
gaz
gaz
cellule de garde
cellule de garde
cellule de mesure
cellule de mesure
a)
cellule de garde
b)
cellule de garde
Figure 1 . Architecture de l’essai cyclique (a) au pressiomètre Ménard, (b) au
pressiomètre autoforeur
Lors de la mise au point du cahier des charges dans le cadre du projet national
SOLCYP (projet de recherche sur le comportement des pieux soumis à des
sollicitations cycliques, voir le site www.pnsolcyp.org pour plus d’information), il fut
décidé de demander à différents fournisseurs de matériels des propositions pour un
CPV cyclique. Quatre fournisseurs furent sollicités et la proposition par l’entreprise
Jean Lutz SA d’un contrôleur pression volume (CPV) (de type PREVO), capable de
piloter des électrovannes via un ordinateur de type PC fut retenue. Après réception
du matériel, les premiers essais ont permis de tester l’asservissement qui a été jugé
de bonne qualité.
- 150 -

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Le programme fourni par le fabriquant est dérivé du programme de test et
d’étalonnage du PREVO. Ce programme comporte quatre écrans :
- écran STOP permettant de piloter le CPV en un mode quasi manuel ;
- écran PREVO réalisant le pilotage du CPV par palier selon un mode opératoire
Ménard ;
- écran Etalonnage permettant de faire les mises à l’échelle ;
- écran Pilotage permettant le pilotage à partir d’un fichier de consigne.
C’est ce dernier écran qui est utilisé de manière privilégiée pour le pilotage en
cyclique. Après les différentes opérations manuelles réalisées soit directement sur le
CPV, soit à l’aide des premiers écrans, on peut passer au mode pilotage. On ouvre à
l’aide du programme le fichier d’essai, puis l’essai peut être lancé. Le suivi se fait sur
un onglet graphique.
3. Méthode d’essai
Durant les années 70, l’Association pour la Recherche en Géotechnique Marine
rassemblant différentes entreprises, bureaux d’étude et établissements de recherche
dans le domaine a mené une campagne sur plusieurs sites d’essais cycliques au
pressiomètre. Les détails des expérimentations sont rassemblés dans plusieurs
rapports et articles du Symposium sur la pressiométrie et ses applications en mer
tenu en 1982 à Paris (Jézéquel et le Méhauté, 1982 ; Puech et al., 1982). Trois types
d’essais furent réalisés :
-des essais de chargement cyclique entre deux bornes de pression p M et p m
(Figure 2 a),
-des essais de chargement entre deux bornes de pression pM1 et pM2,
supérieure à la pression naturelle des terres au repos et estimée à partir de la
pression de rupture (40 et 60 % par exemple) (Figure 2 c), -des essais de
chargement entre deux bornes de pression variables, dont la moyenne est
cependant constante (ces essais sont dits de type tempête) (Figure 2 d).
pression
pression
G p,N
p M
p m
temps
V/Vo
pression
a
pression
b
p M2
p M3
p M2
p M1
p M1
p m
p m1
temps
p m2
p 0 et p m3
temps
c d
Figure 2 . Différents types d’essais cycliques
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Pour tous ces essais, la pression moyenne dans la cellule pressiométrique est égale
à la pression obtenue pour une dilatation volumique monotone de 0,5%. La vitesse
de déformation volumétrique est de 2% par minute. Le mode d’interprétation était
basé sur l’évolution de l’aire caractéristique des boucles de chargement
déchargement ainsi que du module sécant des boucles d’hystérésis (Figure 2b). La
méthode proposée par Dupla et Canou (2003) est de tracer uniquement les courbes
d’accumulation, en prenant en compte les états résiduels à chaque fin de cycle. Les
courbes ainsi obtenues rendent compte de l’accumulation de la déformation
irréversible au cours de l’essai. Les paramètres retenus pour les essais découlent de
la méthode proposée (cf. ci avant):
- Essai cyclique ;
- Essai à pression contrôlée ;
- Essai drainé (adaptation de la
fréquence au type de sol) ;
- Essai non alterné ;
- Niveau de sollicitation : 0,8 ( Rc =
∆p cyc /p (‘) 0) ;
- Fréquence : 0,01 à 0,05 Hz ;
- Nombre de cycles : 50.
La pression initiale p m utilisée pour démarrer l’essai est définie comme la contrainte
horizontale en place (pression des terres de repos) (effective de préférence) et la
pression maximale p M est égale à (1+0,8)p m (Dupla et Canou, 2003). La pression p m ,
qui a été prise égale à p o , a été définie à partir des résultats d’essais d’expansion de
type Ménard antérieurs par la méthode proposée par Briaud (1992).
4. Essais de validation
Des tests de validation ont été effectués sur trois sites : Gosier, Cran et Merville. Les
deux derniers sites ont fait l’objet de nombreuses études dans le cadre de
recherches programmées par les Laboratoires des Ponts et Chaussées. Les
caractéristiques qui ont présidé au choix ont été une relative homogénéité
d’ensemble sur une profondeur minimale de 5 à 10 m. Nous ne présentons ici que
les essais de chargement cyclique entre deux bornes de pression p M et p m (type a
sur la Figure 2).
4.1. Site de Gosier
L’opportunité de tester le matériel sur un site fortement instrumenté et bien
documenté s’est présentée dans le cadre du projet ANR Belle Plaine. Ce projet a
utilisé le site de Gosier en Guadeloupe pour installer un ensemble d’instrumentation
sur une zone potentiellement liquéfiable.
Des essais pressiométriques Ménard (par paliers) ont été réalisés pour compléter les
profils obtenus au pénétromètre statique à pointe électrique et définir les pressions
p’ 0 à utiliser puis deux sondages pressiométriques cycliques ont été réalisés. Pour
tous les essais, les forages ont été réalisés à la tarière à main avec pompe à
bentonite sur toute la hauteur. On a été confronté à un percement des membranes
très fines (dites carat) par les coquillages. Les gaines toilées utilisées en
remplacement ont également été percées.
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3
2.5
3m
5m
7m
9m
600
500
pression (bars)
2
1.5
1
volume (ml)
400
300
200
3m
5m
7m
9m
0.5
100
a
0
0 1000000 2000000 3000000
temps (s)
b
0
0 1000000 2000000 3000000 4000000
temps (s)
Figure 3 . Courbe (a) de chargement en pression et (b) d’accumulation volumique
des essais d’expansion cycliques pré-forés site de Gosier
Finalement, une gaine avec lamelles métalliques a été utilisée. La figure 3a présente
les courbes de chargement en pression pour quatre essais de la série MC2, on note
la première partie qui correspond à la montée à la charge moyenne en monotone,
puis la phase cyclique entre p M et p m . La figure 3b montre, la tendance à la
stabilisation de quasiment tous les essais, même si celle-ci n’a jamais été atteinte.
Apparemment, l’essai à la profondeur 7,5 m (essai à 8,5 m recalé car la tête de
forage est environ 1 m sous le niveau du sol pris pour référence lors des essais au
piézocone) montre une accumulation importante de déformation volumique (couche
d’argile molle). Les résultats semblent « valider » la méthode d’essai et le choix du
dispositif de mesure (tableau 2 : couche à 8,5 m). La Figure 4 présente un graphique
plus classique représentant en abscisse la variation volumique obtenue et en
ordonnée la pression imposée.
Figure 4 . Essais d’expansion cycliques pré-forés site de Gosier
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Tableau 1 . Caractéristiques du site de Gosier
z (m) V/V 0 (%) z (m) V/V 0 (%)
4,5 3 7,5 5
5,5 1 8,5 56
6,5 1 9,5 23
Le signal obtenu représenté sur la Figure 4 est plus bruité que celui donné dans les
articles de Jézéquel et Le Méhauté (1982) car :
● les courbes étaient tracées par un dessinateur et tous les points n’étaient pas
représentés,
● l’asservissement par contrôleur pression volume à vis à bille était sans doute
beaucoup plus lent.
Un forage complémentaire a montré la bonne répétabilité de l’essai, ce qui a permis
de conclure à la validation de la méthode d’essai et du matériel pour le pressiomètre
Ménard.
5
4,5
4
3,5
1m
2m
3m
4m
presure (bars)
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0 200 400 600 800 1000
volume (cm3)
4.2. Site de Cran
Figure 5 . Essais d’expansion cycliques autoforés site de Cran
La plaine alluviale de la Vilaine en aval de Redon est une vallée sédimentaire de
près de 2 km de large. On y rencontre un dépôt d’argile sur une épaisseur de 10 à
20 m, reposant sur une couche de sable et de galets qui recouvre le substratum
rocheux. À Cran, la rive droite est constituée par un dépôt d’argile molle marine de
17 m d’épaisseur reposant sur un substratum rocheux (schiste et phtanites). À la
profondeur 2 m, la courbe de test présentée sur la Figure 5 montre une accumulation
de volume élevée (de l’ordre de 900 cm 3 ) conduisant à la conclusion que le test a été
effectué dans la couche molle et que la pression initiale déduite des études
précédentes (tableau 2) a été surestimée. Le signal obtenu représenté sur la Figure
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5 est assez bruité car l’amplitude de la plage de pression est faible, et une interaction
entre l’asservissement de l’eau et l’air n’a pu être corrigée à temps dans le pilotage.
Tableau 2 . Caractéristiques du site de Cran selon les études antérieures
Z (m) p l (bars) p o brut (bars) p o corrigé (bars)
1
2
3
4
2,46
1,37
1,17
1,29
2,5
2,0
0,8
0,8
1,9
1,4
0,2
0,2
4.3. Site de Merville
Sur le site expérimental de Merville (Nord), on rencontre de 0 à 1,5 m environ, une
couverture de limons peu plastiques, affectée par le battement de la nappe et de 1,5
à 42 m de profondeur, l’argile (surconsolidée) des Flandres de l’Yprésien. Un
sondage au pressiomètre autoforeur avec des essais cycliques à 6, 8 et 12 m en
alternance avec expansion monotone croissante à 5, 7 et 11 m a été réalisé (Figure
6 et Figure 7). Les trois premiers essais cycliques ont été réalisés avec la même
amplitude fixée à partir des essais d’expansion réalisés en 2000 lors de la recherche
menée sur la caractérisation de la déformabilité des sols (Borel et Reiffsteck, 2006).
Le dernier essai a été réalisé avec une amplitude basée sur l’essai à 11 m. À
proximité immédiate un sondage au pressiomètre Ménard avec un perforage d’un
mètre à la tarière hélicoïdale avec des essais cycliques à 5, 7 et 11 m permet de
disposer de résultats comparables.
a.
pression (bar)
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
6
m
8
m
10
m
0 20 40 60 80 100 120
volume (ml)
b.
pression (bars)
10
9
8
Profondeur 11 m
Profondeur 9 m
7
Profondeur 7 m
Profondeur 5 m
6
5
4
3
2
1
0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
volume (ml)
Figure 6 . Essais d’expansion cycliques (a) autoforés et (b) pré-forés site de Merville
5. Discussion
Même si les différences de protocole dues à la mise au point de ces matériels et
essais ne permettent pas une comparaison détaillée, les accumulations volumiques
constatées sont du même ordre de grandeur avec les différents modes de mise en
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œuvre. La qualité du pré-forage est essentielle pour permettre un essai avec un
volume injecté initialement minimal. Sur deux sites (Gosier et Cran)
indépendamment du mode de mise en œuvre, l’accumulation importante de
déformation à certains niveaux a permis de localiser les couches susceptibles d’une
chute de caractéristiques importante lors de l’application de sollicitations cycliques.
6. Conclusions
La technique d’un contrôleur pression volume adapté aux essais d’expansion
cyclique a été développée et validée. On a pu observer la réponse du comportement
des sols lors de l’application d’expansions cycliques. L’influence du mode de mise en
place a pu être mise en évidence. La mise en place de la sonde par autoforage
permet d’acquérir des résultats de qualité avec un collage immédiat de la membrane
à la paroi du forage, résultat qui n’est obtenu qu’avec le pré-forage à la tarière à
main avec injection de bentonite. La tarière hélicoïdale continue à sec, même avec
de grandes précautions conduit à des résultats caractéristiques d’un collage plus
tardif et d’un remaniement de la paroi.
Remerciements
Les auteurs désirent remercier le ministère de l’Environnement de l’Énergie, du
Développement Durable et de la Mer pour le financement de cette action de
recherche ainsi que leurs collègues O. Malassingne et F. Dudouyt.
Références bibliographiques
AFNOR (1999). Essai pressiométrique Ménard – partie 2 Essai avec cycle, NF P94‐110‐2,
Reconnaissance et essais, pp. 43.
AFNOR (2000). Essai pressiométrique Ménard – partie 1 Essai sans cycle, NF P94‐110‐1,
Reconnaissance et essais, pp. 43.
Borel S., Reiffsteck Ph. (2006) Caractérisation de la déformabilité des sols au moyen d’essais en place.
LCPC Paris, pp. 132.
Briaud, J.L., (1992). The Pressuremeter, A. A. Balkema, Rotterdam, Netherlands.
Combarieu O., Canépa Y. (2001). L’essai cyclique au pressiomètre, BLPC, 233, 37‐65.
Dupla, J.C., Canou J. 2003. Cyclic pressuremeter loading and liquefaction properties of sands, Soils
and Foundations, Vol. 43(2), 17‐31.
Jézéquel J.F., Le Méhauté A. (1982). Essais cycliques au pressiomètre autoforeur, Symposium sur la
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Puech A., Brucy F., Ma E. (1982). Calcul de la capacité axiale des pieux de fondations marines à partir
du pressiomètre autoforeur, Symposium sur la pressiométrie et ses applications en mer, Paris,
Éditions Technip, 373‐388.
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