OA10841A - Dispositif de reconnaissance du sous-sol - Google Patents

Description

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DISPOSITIF DE RECONNAISSANCE DU SOUS-SOL

La présente invention a pour objet un pénétromètre oudispositif de reconnaissance du sous-sol destiné enparticulier, mais non exclusivement, à la reconnaissance desfonds sous-marins, sur une profondeur pouvant atteindrequelques dizaines de mètres.

Un des moyens couramment utilisés pour évaluer lescaractéristiques mécaniques des terrains de fondationd'ouvrages de génie civil, est l'essai de pénétrométriestatique dit CPT.

Cet essai consiste à faire pénétrer par poussée, dans lesterrains concernés, une tige équipée à son extrémitéinférieure de capteurs permettant de mesurer en continupendant 1'enfoncement certains paramètres tels que larésistance de pointe et le frottement latéral.

Ces mesures sont transmises par un câble traversant la tigepar un évidement central. Classiquement, la tige,cylindrique, a un diamètre de 36 mm. La pénétrations'effectue à la vitesse continue de 2 cm/sec; la profondeurd'investigation et donc la longueur de la tige varie, selonles cas, de quelques mètres à quelques dizaines de mètres.L'effort de poussée sur la tige, fonction de la résistancedes terrains et de la profondeur de l'investigation, variecouramment de quelques tonnes à 20 tonnes, valeur au-delà delaquelle l'essai est normalement arrêté.

La poussée est généralement exercée à l’aide d'un vérinappuyant sur l'extrémité supérieure de la tige. Dans lapratique, la tige est constituée d'éléments successivementemboîtés par vissage. La longueur de chaque élément ne 010841 2 dépasse pas quelques mètres pour des raisons pratiques delongueur de vérinage et de tenue au flambage sous 1'effortde poussée. La pénétration s'effectue pas par pas, chacundes pas correspondant à la longueur d'un élément poussé parle vérin.

Dans le cas de reconnaissances en site terrestre, lesopérations de raboutage des éléments et de passage du câblede mesure au travers de la tige nécessitent une interventionmanuelle, ce qui présente l'inconvénient d'allongersignificativement la durée des opérations.

Dans le cas de reconnaissances en milieu sous-marin, lerecours à des interventions manuelles est pratiquement excluet d'autres méthodes opératoires ont été développées afind'éliminer le problème du raboutage d'éléments de trains detige. La tige, d'un seul tenant, donc d'une longueur pouvantatteindre plusieurs dizaines de mètres n'est plus pousséepar vérinage en bout, mais à l'aide d'un système de vérinagecontinu à galets. Les deux galets à axe horizontal se fontface, et serrent la tige dans les gorges opposées. La miseen rotation des galets permet d'obtenir l'effet de vérinage.L'inconvénient d'un tel système est lié à l'effort deserrage qui doit être exercé par les galets sur la tige pourdévelopper l'effort de vérinage. Compte tenu descaractéristiques mécaniques des. tiges pénétromètriques, cesystème ne permet pas de développer plus de quelques tonnesde poussée par paire de galets. Pour atteindre la vingtainede tonnes couramment requise, plusieurs paires de galetsdoivent être empilées.

Un inconvénient majeur de ce système résulte des difficultésde manutention et de mise en oeuvre de tiges de plusieursdizaine de mètres de longueur notamment par grandeprofondeur d'eau. 010841 3

Pour pallier cet inconvénient, il a été proposé de recourirà la technique du "coil tubing", qui consiste à enrouler letube sur une bobine de grande dimension. Dans cetteopération d’enroulage, le tube est plastifié. Au cours del'essai CPT, le tube est progressivement déroulé puisredressé par un ensemble de galets presseurs, ce qui luifait subir à nouveau une mise en plasticité.

Un tel système permet de réduire les problèmes liés àl'encombrement du tube d'un seul tenant, cependantl'écrouissage subi par la tige pénétromètrique, au cours desopérations successives d'enroulement, déroulement etpoussée, en limite l'application à des tiges de petitdiamètre, pour des reconnaissances de faibles pénétrationset des efforts de quelques tonnes, et conduit, dans tous lescas, à une détérioration rapide des tiges.

La présente invention a pour objet de pallier cesinconvénients et de permettre la réalisation d'essais CPTpouvant atteindre des pénétrations de plusieurs dizaines demètres, avec un équipement d'encombrement réduit, d'une miseen oeuvre automatique ne nécessitant pas, en cours d'essai,d'intervention manuelle.

Selon l'invention, le dispositif de reconnaissance.du sous-sol, comprenant une tour, des tiges emboîtables et un moyenpour appliquer une pression à l'extrémité supérieure de latige supérieure du train de tiges est caractérisé en ce queles tiges sont articulées les unes sur les autres etdisposées sur un touret, le touret présentant un noyau carrédont le côté est égal à la longueur d'une tige, le touretétant porté par une potence solidaire d'un coulisseauverticalement mobile dans des guides fixes, la tour portant,au voisinage de sa partie médiane, une paire de griffes ou 010841 4 pinces rétractables coopérant avec successivement l'un desangles du carré constituant le touret.

Le train de tiges est un train continu, les tiges étantarticulées entre elles. Le train ne devient rigide qu'au furet à mesure de l'alignement successif des tiges. Depréférence, les tiges reposent sur le touret côte à côte.Ainsi, la pression est toujours appliquée dans l'axe ce quiévite le flambage et, d'autre part, on prévoit des guides àla partie inférieure de la tour.

Le fonctionnement est le suivant : Après avoir fixé l'outilsur une extrémité de la première tige, celle-ci estverticale. Le vérin appuie sur la seconde extrémité ce quiprovoque la pénétration de l'outil dans le sol d'une hauteurégale à celle de la tige. Après quoi la tige du vérin remonteen entraînant la potence ce qui remonte également le touret.Mais les griffes rétractables situées du côté de la tourbloquent l'angle supérieur du touret. Il en résulte que letouret tourne dans le sens sinistrorsum tout en s'élevant.Cette rotation d'un quart de tour amène la tige suivante quiétait précédemment horizontale en position verticale. Aucours du cycle suivant les pinces sont rétractées, le vérinabaisse le touret et la première tige est enfoncée avecl'outil, poussée par la seconde tige dans le sol d'unelongueur égale à celle d'une tige. Les opérations sepoursuivent jusqu'à ce que la profondeur désirée ait étéatteinte.

La remontée de l'outil se fait en sens inverse, les pincesbloquant alors un angle se trouvant au fond du touret pour1'empêcher de descendre ce qui 1’oblige à tourner dans lesens dextrorsum. Les tiges sont ainsi déposées, l'une contrel'autre, sur le touret au fur et à mesure de leur remontée. 010841 5

On notera qu'aucune force importante ne s'exerce sur 1'axe dutouret qui n'a à supporter que le poids du touret et le poidsdes tiges qui y sont enroulées. L'action du vérin ne s'exerceque sur les tiges et en bout de celles-ci. D'autres caractéristiques et avantages de l'inventionapparaîtront au cours de la description qui va suivre demodes particuliers de réalisation, donnés uniquement à titred'exemples non limitatifs, en regard des dessins quireprésentent : - La Figure 1, une vue en élévation d'un dispositif selonl'invention en position médiane; - la figure 2, une vue de côté du même dispositif; - la figure 3, une vue du même dispositif en positionhaute; - les figures 4A à 4D des schémas expliquant le processusde descente d'une tige dans le sol; - les figures 5A à 5D, des schémas d'explication de laremontée d'une tige.

Dans l'exemple représenté, la motricité résulte de l'actiond'un pignon entraîné par un moteur (non représenté) sur unecrémaillère coulissant sur la tour. Mais bien entendu, onpourrait prévoir un coulisseau solidaire de la tige d'un ouplusieurs vérins. Ce coulisseau doit avoir une course égale àdeux fois la longueur d'une tige. C'est lui qui applique lapression nécessaire à la pénétration de l'outil dans le sous-sol.

Sur la figure 1, on voit que le dispositif se compose d'unbâti reposant sur le sol qui peut être un sol sous-marin. Lebâti comprend une tour verticale 10 qui est de hauteurrelativement faible par rapport à celle des dispositifsconnus puisqu'elle est d'une hauteur sensiblement égale à 010841 6 deux fois la longueur d'une tige soit au maximum six mètres.A la partie supérieure de ladite tour 10 est prévue unepotence 3 qui, par l'intermédiaire de deux bras 2 (dont unseul apparaît sur la figure 1) soutient un touret 1. Lesbras 2 sont articulés à l'extrémité de la potence 3. Letouret 1, comprenant un noyau la à section carrée, est montépivotant sur un (ou deux) axe 4 tourillonné à l'extrémitéinférieure des bras 2 eux-mêmes montés pivotants sur lapotence 3. Dans la position représentée sur la figure 1, letouret 1 prend appui par une de ses faces contre une face dubâti 10. Tel est le cas chaque fois que la pression estappliquée sur une tige 7.

Comme cela apparaît sur la figure 2, le touret 1 reçoit surson noyau la une pluralité de tiges 7, articulées en 13 l'uneà la suite de l'autre, qui sont, en quelque sorte, enrouléescôte à côte sur le noyau la du touret 1. Elles serontdéroulées et ré-enroulées par rotation du touret 1 autour deson axe 4. A l'intérieur de la tour (figure 1) est monté unpignon 8 engrenant avec une crémaillère 9, formantcoulisseau, la rotation du pignon 8 dans un sens oudans 1 ' autre provoquant la montée ou la descente de lacrémaillère 9 à l'extrémité supérieure de laquelle estsolidarisée la potence 3. Bien entendu, la crémaillère estmontée coulissante dans des guides verticaux (nonreprésentés ) de la tour ou portique. C ' est à dire que larotation du pignon 8 provoque la montée ou la descente de lapotence 3. Deux butées 11,12 forment partie intégrante de lapotence. Le pignon 8 est entraîné par un moteur ( nonreprésenté). Mais tout autre moyen mécanique, électriquepneumatique ou hydraulique peut être utilisé pour obtenir unmouvement vertical alternatif de la potence et la pressionnécessaire à 1'insertion de 1'outil et des tiges dans le sol. 010841 7

Le touret 1 porte dans chacun de ces angles des tétons oubroches en saillie formant pivots 6 lorsqu'ils sont encontact avec une pince 15. Ces pivots vont successivementcoopérer avec la pince ou fourchette 15 solidaire de la tige 5 d'un vérin 5. Ainsi, la fourchette 15 peut venir dans unepremière position en saillie avec l'un des tétons 6 pourbloquer la montée ou la descente du touret 1 et provoquer sonpivotement autour de l'axe 4, alors qu'elle est inopérantedans la seconde position rétractée. Bien entendu, le touret 1 10 comporte quatre tétons de chaque côté et deux vérins 5de part et d’autre du touret comme cela apparaît sur lafigure 2.

La figure 3 représente le dispositif en position haute. C'est 15 à dire que sous l'action du pignon 8, la potence 3 a atteintsa position supérieure. Au cours d'une opération de descentede l'outil, la griffe 15 reste en position rétractée et latige verticale, qui est encore à l'intérieur du touret,appuie sur la tige immédiatement inférieure pour lui 20 transmettre la force de pénétration résultant de la rotation,dans le sens dextrorsum, du pignon 8. Par contre, lorsquel'on remonte le train de tiges, la pince 15 vient autour dutéton 6 se trouvant à la partie inférieure du touret, du côtéde la tour, ce qui bloque la descente dudit touret. Celui-ci 25 tourne alors d'un angle de 90° dans le sens dextrorsum,autour du téton 6, de sorte que la tige correspondante 7 sedépose sur le touret.

La descente d'un élément de tige sera maintenant décrite en 30 regard des figures 4A à 4D. Les figures 4 sont des schémassimplifiés sur lesquels on ne retrouve que le bâti 10, letouret 1, la potence 3 et son bras articulé. Sur lafigure 4A, le touret est dans sa position maximale supérieurecomme représenté sur la figure 3. Les quatre angles d'un côté 35 du touret 1 sont symbolisés par les lettres A, B, C, D. Sur 010841 8 la figure 4B, le touret est descendu, comme expliquéprécédemment, sous l'action d’une crémaillère ou d'un vérinet il occupe sa position maximale inférieure. Il s'estdéplacé, d'une valeur égale à la longueur d'une tige, entranslation verticale, le long de la tour et l'on retrouve lamême disposition des angles que sur la figure 4A. A partir decette position, le vérin 5 amène la pince 15 autour du plotou téton 6 de l'angle A ce qui immobilise celui-ci enhauteur. La crémaillère et par suite la potence poursuivantleur mouvement ascendant, le touret pivote dans le senssinistrorsum avec un déplacement de l'axe du touret. A la finde ce mouvement, le touret se trouve dans la position de lafigure 4D et la tige du vérin 5 ainsi que la pince 15 estrétractée. Le touret a tourné d'un quart de tour ce quicorrespond à la descente d'une tige.

Les figures 5A à 5D sont des schémas illustrant la remontéed'un train de tiges.

Sur la figure 5A, le touret est dans sa position maximaleinférieure. La pince 15 est rétractée. Sous l'action d'unensemble pignon-crémaillère, la potence 3 et le touret 1 sonttranslatés verticalement jusque dans la position représentéesur la figure 5B. Cette translation se traduit parl'extraction du sol d'une tige 7. La pince 15 est alorsavancée et bloque 1'angle B du touret comme expliquéprécédemment. La potence redescend alors, mais le touret 1est immobilisé en translation autour de la pince 15. Il enrésulte que le touret tourne autour de l'angle B dans le sensdextrorsum , le bras 2 prenant un léger débàttement. Lorsquela potence 3 a pris sa position la plus inférieure, le toureta tourné d'un quart de tour et l'une des tiges du train s'estenroulée sur le touret. L'angle B est débloqué par retrait dela pince 15 et un nouveau cycle peut recommencer. 010841 9

Des systèmes d'articulation de tiges pouvant se bloquerautomatiquement dans une position déterminée et se débloquantdès qu'on cesse d'exercer une pression, notamment parinsertion de tenons dans des fentes ou mortaises sont connuset ne nécessitent pas de description particulière.

La présente invention permet ainsi de disposer d'unpénétromètre simple à fonctionnement continu. La simplicitéde celui-ci permet sa pose sur un fond marin difficilementaccessible et un fonctionnement télécommandé à grandeprofondeur puisque des câbles peuvent délivrer 1'énergienécessaire depuis la surface et transmettre en retour lesdonnées captées.

La description qui précède concerne un dispositif dereconnaissance du sous-sol. Mais il est, bien entendu,possible de l'utiliser pour servir d'autres équipements àtiges pressées, par exemple, pour introduire un tube ou câblede mesure dans le fond d'un forage préexistant.

Il va de soi que de nombreuses variantes peuvent êtreapportées, notamment par substitution de moyens techniqueséquivalents, sans sortir pour cela du cadre de l'invention.

Claims (7)

1. 010841 10 REVENDICATIONS 1° Dispositif de reconnaissance du sous-sol, comprenant unetour (10), un train de tiges emboîtables (7), un moyen 5 pour appliquer une pression à l'extrémité supérieure de la tige supérieure du train de tiges et un outil dereconnaissance monté au-dessous de la première tige dutrain caractérisé en ce que les tiges (7) sont articulées en 13 les unes sur les 10 autres et disposées sur un touret (1), présentant un noyau carré (la) dont le côté est égal à la longueurd'une tige, monté rotatif autour d'un axe central (4).
2. 2° Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce 15 que le touret (1) est solidaire d'un coulisseau (9) animé d'un mouvement vertical alternatif dans des guidesfixes de la tour (10).
3. 3° Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce 20 que le touret (1) est monté pivotant par deux bras (2) sur une potence (3) solidaire du coulisseau (9), montédans des guides fixes de la tour (10), l'une desextrémités des bras étant tourillonnée sur la potencealors que l'autre extrémité porte des axes (4) de 25 pivotement du touret.
4. 4° Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3,caractérisé en ce que la tour (10) présente une pairede pinces rétractables (15) coopérant successivement 30 avec l'une des quatre paires de tétons (6) en saillie dans les angles du carré constituant le touret (1) pourfaire pivoter le touret (1) lors d'un mouvement demontée ou de descente de celui-ci. 010841 11
5. 5° Dispositif selon l'une quelconque des revendicationsprécédentes, caractérisé en ce que les mouvementsalternatifs du touret (1) et la pression nécessaire àl'enfoncement des tiges et de l'outil sont obtenus par 5 l'intermédiaire d'un pignon (8) entraîné par un moteur, engrenant avec une crémaillère (9) solidaire de lapotence (3).
6. 6° Dispositif selon l'une quelconque des revendications 10 précédentes, caractérisé en ce que les pinces (15) sont montées, chacune, sur la tige d'un vérin (5).
7. 7° Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ceque le coulisseau (9) est entraîné par la tige d'au 15 moins un vérin.