L’essai de pénétration statique (CPT ou CPTU) est un essai géotechnique in situ essentiel pour comprendre les caractéristiques des sols en place :
- La résistance à la pénétration d’un cône standard ;
- La pression interstitielle générée lors de la pénétration ;
- Le frottement latéral sur un manchon cylindrique.
Cet essai réalisé conformément aux normes :
Il offre des informations précieuses sur :
- La stratification et la nature des sols ;
- L’homogénéité ou les anomalies des couches ;
- Les propriétés mécaniques comme la résistance à la pointe, le frottement latéral, et le potentiel de liquéfaction ;
- Les paramètres hydrauliques, tels que la pression interstitielle et la perméabilité.
Pourquoi c’est important ?
Cet essai est particulièrement adapté aux sols fins et les sols grenus dont la taille des particules est inférieure à 20 mm.
Pour le CPTU, il est également crucial que le test se fasse sous le niveau de la nappe phréatique pour mesurer la pression interstitielle.
CPT vs CPTU : Quelles Différences ?
- CPT (Pénétration au Cône) : Mesure la résistance du cône et le frottement de la manchonnerie.
- CPTU (Piezocône) : En plus de ces mesures, il intègre la mesure de la pression interstitielle, idéale pour évaluer la perméabilité du sol et son degré de saturation.
Appareillage Essentiel pour les Essais CPT et CPTU
- Structure de réaction : Applique une force de 100 kN pour enfoncer les tiges dans le sol.
- Système de fonçage : Pousse les tiges à une vitesse constante de 20 mm/s ± 5 mm/s, sans vibration ni rotation.
- Train de tiges : Tiges rigides et alignées pour éviter les flambements et déviations.
Composants de la pointe :
- Cône : mesure la résistance à la pénétration (différentes sections selon terrain) ;
- Manchette de frottement : Capte le frottement latéral au-dessus du cône ;
- Filtre poreux (CPTU) : Mesure la pression interstitielle avec haute précision.
- Inclinomètre : pour mesure l’angle d’inclinaison des tiges ;
- Tube de garde ;
- Logement pour les joints de protection : élément de séparation ;
- Joint de protection ;
- Filtre ou élément poreux ;
Système de mesure :
- Enregistreur de la profondeur, la résistance à la pointe, la friction latérale, et la pression interstitielle (CPTU).
- Permet une analyse en temps réel et un enregistrement des données brutes pour un traitement ultérieur.
Principe Essai de Pénétration Statique (CPT & CPTU)
L’essai consiste à enfoncer verticalement une pointe conique fixée à un train de tiges, sans choc ni vibration, à vitesse constante (20 ± 5 mm/s).
- Intervalle entre saisies : maximum 5 cm.
- Profondeur mesurée avec une résolution de 10 mm minimum.
- Fréquence des enregistrements selon la classe d’application (1 à 4).
Classes d’application
- Classe 1 : Sols très mous, CPTU obligatoire, préforage nécessaire pour couches alternées.
- Classe 2 : Couches alternées (mous à denses), profilage précis, interprétation indicative des couches molles.
- Classe 3 : Sols mixtes (mous à rigides), interprétation fiable pour couches denses, indicative pour sols meubles.
- Classe 4 : Profilage indicatif, sans évaluation mécanique, avec pénétromètre TE1.
avec : TE1 et TE2 deux types cône de pénétration, le premier pour mesure la résistance à la pénétration et le frottement latéral le deuxième type outre que ça mesure la pression interstitielle.
Étapes Clés de Réalisation de l’Essai CPT/CPTU
Repérage et Identification
- Déterminer et localiser les points d’essai sur site avec un plan précis (éviter tous sondage à coté : distance 25 fois le diamètre du forage).
Vérification des Équipements
- Inspection complète : pénétromètre, capteurs, joints de protection.
- Calibration périodique pour garantir des mesures fiables.
Alignement et Inclinaison
- Positionnement rigoureux de la machine pour un enfoncement parfaitement vertical.
- Tolérance maximale : inclinaison < 2 %.
Stabilisation de la Structure
- Assurer la stabilité des ancrages ou systèmes de réaction pour éviter tout déplacement.
Enfoncement à Vitesse Contrôlée
- Maintenir une vitesse constante de 20 ± 5 mm/s sur toute la durée de l’essai.
Enregistrement des Données
- Mesurer et consigner les paramètres suivants : Profondeur z, efforts totaux Qt, efforts du cône Qc, frottement latéral Fs, et pression interstitielle u (pour le CPTU).
Suivi de la Vitesse
- Vérification régulière pour garantir une pénétration constante sur au moins 0,8 m.
Essai de Dissipation (CPTU)
- Objectif : Mesurer l’évolution de la pression interstitielle u au cours du fonçage et sa dissipation.
- Enregistrer les données à une fréquence minimale de 1 Hz au début de l’essai.
- Identifier le temps t50 pour une dissipation de 50 % de la pression interstitielle.
Fin de l’Essai
- Critères d’arrêt :
- Atteinte de la profondeur souhaitée.
- Dépassement de la capacité maximale de la machine (Résistance des couches > 40 MPA).
- Post-essai :
- Extraction, nettoyage du pénétromètre, vérification des écarts (dérive zéro).
- Validation ou recalibration des résultats si nécessaire.
Chaque étape garantit des données précises et exploitables pour l’étude des sols !
Exploitation des Mesures du CPT et CPTU
Paramètres Mesurés
- Profondeur z : Mesurée en mètres (m).
- Effort total de pénétration Qt : Force totale nécessaire pour enfoncer la pointe dans le sol (kN).
- Effort sur la pointe (cône) Qc : Force exercée sur le cône (kN).
- Frottement latéral sur le manchon Fs : Effort exercé sur la surface latérale du manchon (kN).
- Pression interstitielle u : Pression mesurée dans le sol, spécifique au CPTU (kPa).
- Inclinaison de la pointe : Doit être inférieure à 15 %.
Paramètres Déduits des Mesures (CPT)
Effort total de frottement latéral Qst : Différence entre l’effort total de pénétration et l’effort sur la pointe (KN)
Résistance de pointe statique Qc : Résistance du sol à la pénétration de la pointe, calculée comme le rapport de la force exercée sur la pointe sur la section de la base du cône Ac (KPa)
Frottement latéral unitaire Fs : Force exercée sur le manchon de frottement divisée par la surface latérale du manchon As (KPa)
Rapport de frottement Rf : Rapport entre le frottement latéral unitaire et la résistance de pointe statique. Exprimé en pourcentage, il indique l’importance du frottement latéral par rapport à la résistance à la pénétration du cône.
Paramètres Déduits des Mesures CPTU
Effort lié à la pression interstitielle Qu : Effort exercé par la pression interstitielle générée durant le fonçage. Il dépend de la différence entre la section du cône et la zone de mesure de la pression interstitielle (KN)
Effort total sur le cône QT : Effort total mesuré sur le cône, comprenant à la fois l’effort de pénétration et celui généré par la pression interstitielle (KN).
Résistance de pointe totale qT : Résistance à la pénétration qui tient compte de la pression interstitielle, calculée en divisant l’effort total sur le cône par la surface de la base du cône (KPa).
Coefficient de pression interstitielle Bq : Ce coefficient représente l’influence de la pression interstitielle sur la résistance à la pénétration, calculé par rapport à la pression hydrostatique initiale u0 et la contrainte verticale initiale σv0.
Temps de dissipation t50 : Temps nécessaire pour dissiper 50 % de la pression interstitielle après l’arrêt du fonçage, utilisé pour évaluer les caractéristiques de drainage du sol.
Points Critiques : Ce Qu’il Faut Absolument Surveiller
- Alignement et Inclinaison
- Critère : Le train de tige doit rester parfaitement aligné avec l’effort de fonçage.
- Tolérance : Inclinaison maximale tolérée : 2 % par rapport à la verticale.
- Risque : Une mauvaise inclinaison = des mesures faussées.
- Vitesse de Pénétration
- Critère : Maintenir une vitesse constante de 20 ± 5 mm/s.
- Risque : Des variations ? C’est la porte ouverte à des résultats douteux !
- Stabilité de la Structure
- Critère : Ancrages solides ou camions bien en place.
- Risque : Une structure bancale, et hop, des erreurs dans vos mesures.
- État des Équipements
- Critère : Joints et capteurs impeccables avant chaque essai.
- Risque : Un joint abîmé et c’est tout l’essai qui part de travers.
- Adéquation au Sol
- Critère : Sol adapté (sables, petits graviers).
- Risque : Pas le bon terrain ? Les résultats ne voudront plus rien dire.
Points d’Arrêt : Quand Dire Stop !
- Profondeur Atteinte
- Condition : La profondeur cible est atteinte.
- Action : Stopper l’essai, enregistrer les données.
- Capacité de la Machine Dépassée
- Condition : Capteurs ou machine au maximum de leurs capacités.
- Action : Interrompre immédiatement pour éviter la casse.
- Endommagement du Matériel
- Condition : Une panne ou un dommage visible.
- Action : Stopper tout et inspecter le matériel.
- Dérive Zéro Excessive
- Condition : La dérive dépasse les tolérances.
- Action : Recalibrer ou invalider les résultats.
- Conditions Inadéquates
- Condition : Sol non adapté ou résistance > 40 MPa.
- Action : Arrêter l’essai et envisager une autre technique.