Prélèvement

La phase de prélèvement n’est pas sans incidence sur la qualité de l’éprouvette. Malgré la sophistication des carottiers, il apparaît un remaniement lors de la pénétration de l’étui par la création de voûtes provoquées par le frottement sol-paroi de l’étui.

2.4.1.1 Qualité des prélèvements

Les différentes études menées par Hvorslev l’avaient amené à définir la géométrie d’un carottier par un certain nombre de paramètres (figure 2.53) permettant d’en qualifier la qualité. Il s’agit du rapport des surfaces, du rapport de la longueur prélevée au diamètre et de l’indice de jeu intérieur. Le groupe de travail sur les problèmes de prélèvement de la Société Internationale de Mécanique des Sols (ISSMFE) a reconnu l’importance également de l’angle d’attaque de la trousse coupante.

tube du carottier étui D3 D1 D2 trousse coupante α

D4 Indice de jeu extérieur

4 4 2 D D D C_o = − Indice de surface 2 1 2 1 2 2 D D D C_a = −

Indice de jeu intérieur 1 1 3 D D D C_i = −

Angle d’attaque du biseau de la trousse : α

Figure 2.53 Paramètres géométriques d’un carottier d’après Hvorslev (1949)

La plus grande avancée de ces vingt dernières années dans la compréhension des perturbations imposées au sol lors du carottage, a été faite grâce aux travaux de Baligh

et al. (1985, 1987). Il a utilisé la méthode des chemins de déformation (Strain path

method) pour prédire des déformations qui vont être engendrées lors du fonçage d’un pieu, d’un pénétromètre ou d’un carottier simple (figure 2.54). Cette méthode consiste

à considérer le sol comme un fluide incompressible et irrotationnel qui s’écoule au passage de l’objet qui le pénètre. De cette façon, les effets du déplacement sont bien modélisés mais les effets de bord sont ignorés (comme le cisaillement à l’interface entre l’objet et le sol).

a) B t z b) -5 lo ca lis at io n ve rt ic al e d e l' él ém en t z /B e n m -4 -3 -2 -1 déformation axiale en % 0 1 2 3 4 5 -2 -1 0 2 1 compression extension B/t=10 20 40 B/t=10 20 40

Figure 2.54 Chemins de déformation sur l’axe d’un carottier simple (Baligh, 1985).

Les auteurs ont donc utilisé cette méthode pour étudier les performances des carottiers sur la base de l’observation du chemin de déformation subi par la carotte au niveau de la génératrice. Cette valeur est supposée être similaire en magnitude aux déformations présentes sur au moins 50 % de la surface de la carotte. Pour cette géométrie particulière (figure 2.54-a), les auteurs ont prédit pour un élément de sol placé sur l’axe une valeur maximale de déformation verticale en compression et extension axiale entre 0,75% et 4%.

La géométrie du « carottier idéal » qui a permis d’aboutir à ces résultats (figure 2.54- b), a peu de ressemblance avec celle de la trousse coupante d’un carottier bien dimensionné. Cependant un chemin de déformation particulièrement similaire est communément observé quand des géométries plus réalistes sont analysées.

Dans un premier temps des déformations de compression apparaissent dans le sol avant qu’il pénètre dans le carottier atteignant un pic légèrement sous la trousse coupante. Dans un deuxième temps quand le sol pénètre dans le tube, les déformations s’annulent puis s’inversent pour donner un maximum en extension à environ un demi- diamètre au-dessus de la trousse coupante.

Figure 2.55 Phase de prélèvement pour un carottier à piston stationnaire.

Du fait que le processus est rapide et donc non-drainé dans les argiles, les déformations radiales sur la génératrice sont de signe opposé et égale à la moitié en amplitude des déformations axiales. Ces travaux ont été en partie validés par une approche de laboratoire simulant l’état de compression et d’extension imposés lors du carottage et leur influence sur la surface de charge.

Sur la figure 2.55, ces différentes phases sont présentées pour un carottier à piston stationnaire. Se rajoute au final une phase d’extension due au relevage du carottier. A titre de comparaison, nous avons indiqué dans le tableau 10 les carottiers

disponibles dans le réseau des LPC et en France dont le carottier Laval utilisé.

Tableau 10 Caractéristiques de quelques carottiers utilisés en France.

Carottier D1 (mm) Ca (%) Ci (%) α (°)

Carottier à piston stationnaire (CPS) sans étui 98 8 0 5

CPS 80 LPC 77 22 1 5

CPS 100 LPC 95,8 20 1,3 5

Laval 200 208 10 0 5

Carottier battu Bonne Espérance 102 47,7 3,3 5

Carottier à piston Bonne Espérance 94 13 2,1 5

Carottier T.I.R. Bonne Espérance 93 105 ? 5

Carottier à paroi mince Mazier 80 128 1 5

Carottier automatique Mazier 100,4 70,2 3,5 5

L’utilisation de la méthode des éléments finis a permis de mener une étude similaire à celle réalisée auparavant par Baligh sur différents carottiers types utilisés couramment sur les chantiers de prélèvement (Clayton et Siddique, 1999, Hight, 2000). Cette étude, de la même manière que précédemment, ne prend pas en compte le mode de mise en place du carottier, les contraintes de cisaillement à l’interface sol-paroi de carottier, les imperfections de réalisation inhérentes à tout usinage et l’usure.

Pour éliminer les inconvénients, cités plus haut, et réaliser le prélèvement dans des conditions optimales, les règles françaises ont intégré les recommandations de

Hvorslev. C’est pourquoi un certain nombre de règles de dimensions des carottiers ont été définies (Bigot et al., 1996). Dans la Norme Française, ces paramètres doivent obéir aux conditions suivantes:

Tableau 11 Règles dimensionnelles de la norme NF P 94-202

α Ca (%) Ci (%) Co (%) Se D1 (mm)

Carottier <10° <15 0,5 à 1,5 <2 0,1.D12 >75

De ce tableau 11, on constate que deux des carottiers cités dans le tableau 10 ne sont pas conformes à la norme : le CPS 80 et le CPS 100.

Afin de respecter les règles de prélèvement et d’obtenir des échantillons de bonne qualité et des carottes de tailles suffisantes nous utilisons le carottier dit Laval décrit ci-dessous.

2.4.1.2 Carottier de l’Université Laval

Les échantillons sont prélevés par une technique employant un carottier (figure 2.56) de 200 mm de diamètre et 600 mm de hauteur développé à l’Université Laval de Montréal au Québec (La Rochelle, 1967). Le carottier est constitué de deux tubes : un tube intérieur terminé à sa partie inférieure par une trousse coupante effilée sans dégagement interne, qui constitue l’outil de prélèvement, et un tube extérieur équipé à sa partie inférieure d’une couronne dentée (figure 2.57), qui peut être rendue solidaire du tube intérieur lors de la descente du carottier au niveau du prélèvement et lors de la remontée de l’échantillon vers la surface.

202

660

dents et couteaux guides intérieurs

guides extérieurs soupape

tige d'accrochage

Figure 2.56 Plan du carottier Université Laval

Figure 2.57 Vue du carottier Université Laval

Les opérations de prélèvement (figure 2.58) au moyen de ce carottier sont réalisées comme suit, à partir d’avant-trous pratiqués à la tarière jusqu’à la profondeur désirée : a) descente du carottier dans le forage jusqu’au niveau de prélèvement ;

b) désolidarisation des tubes intérieur et extérieur et vérinage du tube intérieur seul sur la hauteur de l’échantillon à prélever ;

c) descente du tube extérieur entraîné en rotation avec injection de boue entre celui-ci et le tube intérieur, et ce afin de désagréger l’argile qui l’entoure, jusqu’à ce que la base de la couronne dépasse l’extrémité de la trousse coupante d’environ 2 cm ;

d) reverrouillage du carottier et remontée de l’échantillon vers la surface.

On montre à droite de la figure le système d’accrochage par verrouillage « quart de tour ».

On note que le fluide de forage est de l’eau additionnée d’un gel afin de maintenir les parois du forage. Un effet additionnel est la persistance de la succion qui retient la carotte dans l’étui.

a b c d Figure 2.58 Les différentes phases du carottage

2.4.1.3 Phases intermédiaires entre le prélèvement et l’essai en laboratoire

Après remontée du carottier (figure 2.59-a), celui-ci est immédiatement démonté puis la carotte est extraite par "pistonnage" (fonçage d’un plateau dans le conteneur de sol prélevé (figure 2.59-b). La carotte est débarrassée de la boue de forage polluant la partie supérieure et découpée.

a) Prélèvement du carottier b) Le vérinage

fil tendu

support en contreplaqué paraffiné

c) Schéma de l’outil de vérinage Figure 2.59 Remontée du carottier et extraction des carottes

2.4.1.4 Conditions d’emballage

Après vérinage et découpe des morceaux de carotte au fil tendu (fil à couper le beurre) en galette de 20 cm de hauteur, les carottes sont préparées et protégées par un film étirable (saran) enduit d’un mélange paraffine vaseline liquide (figure 2.60). Elles sont ensuite numérotées et étiquetées (références des sondages et informations générales).

film étirable

sol

mélange paraffine vaseline

Figure 2.60 Emballage des carottes 2.4.1.5 Conditions de transport

Les échantillons sont transportés dans un véhicule où elles reposent sur des plaques de mousse synthétique servant d’amortisseur contre les vibrations et les chocs éventuels.

Figure 2.61 Conditionnement des échantillons pour le transport 2.4.1.6 Stockage des échantillons

Les échantillons dans leur protection sont placés dans une chambre humide réglée à

une température de l’ordre de 8oC et à un degré d’humidité de l’ordre de 90%.