A6.1 Capteurs de pression interstitielle
Les capteurs de pression interstitielle sont les capteurs qui mesurent la pression qui existe dans les pores du sol lors de l’essai de cisaillement annulaire. Le principe derrière leur calibration consiste à les solliciter en imposant sur ceux-ci une pression d’air connue et à observer le signal qu’ils renvoient. Pour ce faire, les capteurs sont tour à tour branchés sur un montage fournissant de l’air comprimé à la pression désirée. Une fois soumis à une pression donnée, les capteurs de pression interstitielle renvoient un signal de mesure à un voltage correspondant à la sollicitation. Cette démarche est répétée pour plusieurs incréments de pression sur toute la course des capteurs, ce qui permet l’obtention d’une courbe de calibration pour chacun d’entre eux. La calibration des capteurs de pression interstitielle a été réalisée le 25 juillet 2016 par l’auteur de ce mémoire. La figure A6.1 présente la courbe de calibration obtenue pour le capteur numéro 1 et la figure A6.2 présente celle obtenue pour le capteur numéro 2. Les deux courbes mettent en relation la pression appliquée sur les capteurs en fonction de la tension que ceux-ci renvoient. Les lois d’étalonnage tirées de ces courbes sont présentées aux équations suivantes :
𝑢 = 20,44806899 × 𝑈 − 0,908157108 𝑢 = 20,4277067 × 𝑈 − 1,056621138 où :
u [kPa] : pression interstitielle U [V] : tension.
A6.2 Potentiomètre de position verticale
Le potentiomètre de position verticale est le capteur qui mesure le déplacement vertical de la surface de l’échantillon lors de l’essai de cisaillement annuaire. Le principe derrière sa calibration consiste à le solliciter en imposant directement sur celui-ci un déplacement connu et à observer le signal qu’il renvoie. Pour ce faire, le potentiomètre est installé dans un dispositif muni d’un vernier qui permet de mesurer la position de l’extrémité de la tige du potentiomètre ainsi que d’une molette qui permet de déplacer précisément la tige du potentiomètre le long de sa course. Le potentiomètre renvoie un signal au voltage correspondant à la distance à laquelle la tige du potentiomètre est arrêtée. Cette démarche est répétée pour plusieurs incréments de position sur toute la course du potentiomètre, ce qui permet l’obtention d’une courbe de calibration.
La calibration du potentiomètre de position verticale a été réalisée le 1er juin 2016 par François Gilbert,
professionnel de recherche au Département de génie civil de l’Université Laval. La figure A6.3 présente la courbe de calibration obtenue, mettant en relation la position (Hv [mm]) de la tige du potentiomètre de position
verticale et la tension que celui-ci renvoie. La loi d’étalonnage tirée de cette courbe est la suivante : ℎ = −2.68017164 × 𝑈 + 26,96124359
où :
h [mm] : position verticale U [V] : tension.
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A6.3 Cellule de charge
La cellule de charge est le capteur qui mesure la charge verticale que ressent l’échantillon lors de l’essai de cisaillement annuaire. Le principe derrière sa calibration consiste à le solliciter en imposant directement sur celui-ci une charge connue et à observer le signal qu’il renvoie. Pour ce faire, des masses sont suspendues au balancier d’un œdomètre. La cellule de charge est placée à l’endroit où se trouve la cellule de l’échantillon lors d’un essai œdométrique. Une fois soumis à une charge donnée, la cellule de charge renvoie un signal de mesure à un voltage correspondant à la sollicitation. Cette démarche est répétée pour plusieurs valeurs de charge en ajoutant par incréments des masses suspendues au crochet. Ainsi, une courbe de calibration mettant en relation la tension générée par la cellule de charge et la charge axiale imposée à l’échantillon peut être déterminée.
La calibration de la cellule de charge a été réalisée le 2 juin 2016 par François Gilbert, professionnel de recherche au Département de génie civil de l’Université Laval. Le balancier de l’œdomètre utilisé applique un rapport de 11 :1 à la masse ajoutée. C’est-à-dire que pour chaque masse de 1 kg ajouté sur le crochet du balancier, une charge équivalente à 11 kg est appliquée sur l’échantillon. Quatorze incréments de masses ont été utilisés pour construire la courbe de calibration. La figure A6.4 présente la courbe de calibration obtenue, mettant en relation la charge verticale imposée sur la cellule de charge et la tension que celle-ci renvoie. La loi d’étalonnage tirée de cette courbe est la suivante :
𝐹𝑣= 1043,307 × 𝑈 − 2377,948 où :
Fv [kN] : charge verticale
U [V] : tension.
A6.4 Couplemètre
Le couplemètre est le capteur qui mesure le couple que ressent l’échantillon lors de l’essai de cisaillement annulaire. C’est cette mesure qui est convertie en valeur de résistance au cisaillement lors du traitement des données. Le principe derrière la calibration du couplemètre consiste à le solliciter en imposant un couple connu sur la table tournante de l’appareil de cisaillement annulaire et à observer le signal qu’il renvoie. Pour ce faire, des masses sont suspendues sur un crochet qui est relié à un disque pouvant être fixé sur la table tournante. Le couple à l’échantillon se calcule de la façon suivante :
𝐶éch= 𝑀𝑐× 𝑔 × 𝑟𝑝 où : Céch [N*m] : couple à l’échantillon Mc [kg] : masse cumulée g [m/s2] : accélération gravitationnelle rp [m] : rayon de la poulie.
La rotation de la table tournante est activée à une vitesse fixe jusqu’à ce que celle-ci ait tournée sur une certaine plage angulaire. Tout au long de la rotation, le couplemètre émet un signal de mesure à un voltage correspondant à la sollicitation. Cette démarche est répétée pour plusieurs valeurs de couple en ajoutant par incréments des masses suspendues au crochet. Ainsi, une courbe de calibration mettant en relation la tension
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moyenne obtenue à partir de chacun des signaux générés par le couplemètre et le couple imposé à l’échantillon peut être déterminée.
L’appareil peut être placé dans deux configurations différentes pour réaliser l’étalonnage du couplemètre, soit la configuration horizontale ou la configuration verticale. En configuration horizontale, l’appareil est renversé sur le côté de manière à ce que la force appliquée par les masses suspendues soit directement dans l’axe de rotation de la table tournante. En configuration verticale, l’appareil repose à la verticale comme il le fait normalement lors des essais. Une poulie est ancrée à côté de la table tournante. Elle permet de transférer à la table tournante la force appliquée par les masses suspendues. Cette configuration permet aussi d’appliquer une charge verticale sur la table tournante à l’aide de masses. Lors de l’essai, cette charge est appliquée par le vérin. Réaliser la calibration du couplemètre à différentes charges verticales permet de connaître l’effet de la charge appliquée par le vérin sur le couple mesuré par le capteur.
La calibration du couplemètre a été réalisée entre les 11 et 15 juillet 2016 par Christian Juneau, technicien du laboratoire de mécanique des sols de l’Université Laval, et par l’auteur de ce mémoire. Les deux configurations ont été testées. Cinq incréments de masses ont été utilisés pour la calibration en configuration verticale et cinq autres pour la calibration en configuration horizontale. Le rayon de la poulie utilisée est de 70,88 mm et la vitesse du moteur pour tous les essais a été fixée à 10 000 rpm. De plus, la calibration en configuration verticale a été répétée pour cinq incréments de charge verticale avec un câble plus petit pour minimiser le frottement sur la poulie.
La figure A6.5 présente les signaux obtenus dans les deux configurations à un incrément de masse sur le crochet avoisinant respectivement les 10 kg, 20 kg, 30 kg, 40 kg et 50 kg. La calibration en configuration verticale avec augmentation de la charge verticale appliquée sur la table tournante n’a été réalisée que pour les incréments de masse sur le crochet de 10 kg, 30 kg et 50 kg. Les charges verticales ayant été appliquées sur la table tournante sont de 0 kPa, 49 kPa, 100 kPa, 118 kPa et 150 kPa. Les signaux obtenus en configuration verticale apparaissent en bleu tandis que ceux obtenus en configuration horizontale apparaissent en rouge. Les signaux obtenus en augmentant la charge verticale appliquée sur la table tournante apparaissent en nuances de gris, allant du plus pâle pour la charge de 0 kPa au plus foncé pour la charge de 150 kPa.
Quelques caractéristiques de ces signaux sont consignées au tableau A6.1 pour des fins de comparaison. Celui-ci contient la charge verticale appliquée sur la table tournante, qui correspond à la charge qu’applique normalement le vérin sur l’échantillon, le couple à l’échantillon correspondant à la masse suspendue au crochet, la tension moyenne, qui est calculée sur une plage angulaire allant de 15° à 270° ainsi que les tensions minimale, maximale, la différence entre ces deux extremums et le ratio de la différence entre les deux extremums sur la tension moyenne. La figure A6.6 présente les droites d’étalonnage tirées de la calibration. Les barres d’erreur sur chacun des points correspondent à la différence entre les deux extremums distribués de part et d’autre du point.
Il est possible de constater que dans tous les cas, les signaux obtenus en configuration verticale ont une différence entre les extremums plus importante que ceux obtenus en configuration horizontale (tableau A6.1). Cet effet est bien illustré à la figure A6.5. La configuration horizontale offre donc des résultats plus stables. Cette différence est attribuée à la présence de la poulie qui doit être installée lors de la calibration en configuration verticale. En effet, il se crée un frottement entre la poulie et le câble qui soutient le crochet sur lequel les masses sont suspendues, ce qui a pour effet de fausser le couple mesuré. Le fait de diminuer le diamètre du câble semble avoir réduit ce frottement puisque la différence entre les extremums des signaux obtenus avec le câble au diamètre plus petit est dans tous les cas inférieurs à celle obtenu avec le câble au diamètre plus gros.
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Par contre, la tension moyenne mesurée est similaire pour les deux configurations (tableau A6.1), si bien que les droites d’étalonnages qui apparaissent à la figure A6.6 sont presqu’identiques. La charge verticale appliquée sur la table tournante, quant à elle, a pour effet d’augmenter la différence entre les deux extremums du signal (figure A6.5). Or, la proportion de ce paramètre par rapport à la tension moyenne du signal diminue généralement au fur et à mesure que le couple à l’échantillon augmente (tableau A6.1).
En somme, comme la configuration horizontale permet d’appliquer le couple directement sur le couplemètre sans devoir employer une poulie qui génère des pertes, elle permet d’obtenir des signaux plus stables. C’est donc de cette courbe qu’est tirée la loi d’étalonnage du couplemètre. Cette loi d’étalonnage correspond à l’équation suivante :
𝐶é𝑐ℎ= −21,58442821 × 𝑈𝑚𝑜𝑦+ 0,009995473316 où :
Céch [N*m] : couple à l’échantillon
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Tableau A6.1 - Caractéristiques des signaux de calibration du couplemètre Configuration σv (kPa)
éq (kg)
Céch
(N*m) Umoy (V) Umin (V) Umax (V) ΔU (V) ΔU/Umoy(%)
horizontale - 7.3 -0.3298 -0.3267 -0.3317 0.005 1.52 14.3 -0.6558 -0.6516 -0.6596 0.008 1.22 21.3 -0.9797 -0.9737 -0.9862 0.012 1.22 28.2 -1.3061 -1.2967 -1.3139 0.017 1.30 35.2 -1.6280 -1.6194 -1.6346 0.016 0.98 verticale - 7.3 -0.3353 -0.3282 -0.3422 0.014 4.18 14.3 -0.6622 -0.6563 -0.6728 0.017 2.57 21.3 -0.9865 -0.9754 -0.9943 0.019 1.93 28.3 -1.3158 -1.3058 -1.3277 0.024 1.82 35.2 -1.6426 -1.6291 -1.6536 0.025 1.52 verticale avec charge verticale appliquée 0 7.3 -0.3278 -0.3232 -0.3319 0.0087 2.65 21.2 -0.9698 -0.9617 -0.9789 0.0172 1.77 35.1 -1.6144 -1.6061 -1.6246 0.0185 1.15 49 7.3 -0.3298 -0.3246 -0.3358 0.0112 3.40 21.2 -0.9692 -0.9626 -0.9778 0.0152 1.57 35.1 -1.6460 -1.6333 -1.6624 0.0291 1.77 100 7.3 -0.3333 -0.3268 -0.3396 0.0128 3.84 21.2 -0.9706 -0.9630 -0.9824 0.0194 2.00 35.1 -1.6426 -1.6342 -1.6542 0.02 1.22 118 7.3 -0.3355 -0.3281 -0.3444 0.0163 4.86 21.2 -0.9734 -0.9641 -0.9884 0.0243 2.50 35.1 -1.6418 -1.6293 -1.6534 0.0241 1.47 150 7.3 -0.3404 -0.3338 -0.3482 0.0144 4.23 21.2 -0.9911 -0.9835 -0.9987 0.0152 1.53 35.1 -1.6439 -1.6382 -1.6504 0.0122 0.74
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Figure A6.1 - Courbe de calibration du capteur de pression #1
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Figure A6.3 - Courbe de calibration du potentiomètre de position verticale
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