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Wikigeotech:Les sondages carottés

De Wikigeotech

Sommaire

Sondages carottés


Carottage1.jpg Carottage89.JPG Carottage92.JPG Carottier vue ensemble.JPG

Principes


Le principe des sondages carottés est de venir découper un cylindre de terrain le plus intact possible afin de réaliser des observations et des essais représentatifs des formations en place. Le découpage des terrains peut être fait par fonçage ou battage (carottier poinçonneur) ou par rotation (carottier rotatif).

Matériel et Mise en œuvre


Carottage par fonçage ou poinçonnage


Cette technique consiste à venir découper les terrains et faire pénétrer l’échantillon dans l’outil par poinçonnement sans rotation. Deux méthodes sont utilisées :

  • fonçage par pression : le système de forage applique une force sur le carottier afin de s’assurer une vitesse d’enfoncement supérieure ou égale à 2cm/s aussi constante que possible.
  • fonçage par battage : l’outil est enfoncé sous l’effet de chocs générés par la tête de forage et transmis par le train de tiges. Selon la fréquence de frappe, on distingue le battage (< 2 Hz), la percussion (> 2 Hz).


Les carottiers utilisés ont des caractéristiques (géométriques notamment) adaptées à la méthodologie de fonçage et à la nature des terrains à prélever. On distinguera les techniques suivantes.

le carottier à paroi mince :

1carottier paroi mince.png
Il s’agit d’un tube d’épaisseur fine au regard de son diamètre intérieur (indice de surface inférieur à 15%) qui permet de prélever des matériaux fins. Selon les configurations, le tube du carottier peut directement servir au conditionnement de l’échantillon (tube à changer après chaque passe) ou recevoir un étui intérieur extrait en fin de passe de sondage (Fig. n°1).
Figure n°1 : Carottier à paroi mince avec et sans étui (source – Norme XP P 94-202).


carottier à paroi épaisse :

Le schéma et le principe de fonctionnement sont analogues à celui du carottier à paroi mince, mais en raison de l’épaisseur de la paroi du tube carottier cet outil peut être mis en œuvre par battage et permet de prélever des sols grenus.

carottier à piston stationnaire :

Il s’agit d’un carottier à paroi mince associé à un système de piston qui permet de prélever des sols très mous. Le verrouillage du piston commandé depuis la surface par un câble, bloque l’entrée du carottier jusqu’à la cote de début de forage (descente), permet la pénétration de l’échantillon durant la phase de fonçage et assure l’étanchéité pour éviter la chute de la carotte lors de la remontée (Fig. n°2).
2carottier piston stationnaire.png CPS TOurs 3.JPG CPS tours1.JPG
Figure n°2 : Étapes du prélèvement d’échantillons avec un carottier à piston stationnaire (dessin P.Reiffsteck, photo LRPC Blois)

carottage vibratoire haute fréquence :

Le carottage vibratoire utilise une tête de forage munie d’un moteur hydraulique qui entraîne deux masses dans des sens de rotation opposés et génère ainsi, sur le train de tiges, une force « sinusoïdale » (Fig. n°3). La fréquence de vibration peut varier de façon à optimiser la pénétration de l’outil dans le sol (généralement fréquence comprise entre 50 et 120 Hertz). Un système de double tubage permet de remonter le tube échantillonneur en fin de passe en laissant un tubage en place. Les carottes prélevées peuvent être extraites par vibration, elles sont alors recueillies dans un film plastique maintenu à la sortie du tube ou conditionnées dans une gaine équipant le tube intérieur.
Cette technique est particulièrement adaptée pour le prélèvement de sols graveleux non consolidés.

Carottage rotatif

4carottage rotatif.png
Les carottiers rotatifs sont constitués d’un tube cylindrique à l’extrémité duquel se trouve un outil appelé couronne. L’ensemble est mis en rotation et en appui par la tête de forage via le train de tige. La couronne, munie d’éléments d’abrasion (carbure de tungstène, diamants synthétiques, …), découpe le terrain qui entre à l’intérieur du tube du carottier. En fin de passe, à la remontée de l’ensemble, un extracteur rompt le contact entre la carotte et le terrain en place puis maintien la carotte à l’intérieur du tube du carottier (Fig. n°4).

Figure n°4 : Principe de fonctionnement des carottiers rotatifs

Selon la nature des terrains à prélever et la qualité des échantillons recherchés, différents carottiers rotatifs seront mis en œuvre (Fig. n°5) :

carottier simple :

Carottage chaussee.JPG
Le système se limite à un tube carottier muni d’une couronne. Lors du forage, le fluide de forage passe le long de l’échantillon qui peut également être en contact avec le tube du carottier en rotation, de telle sorte que la qualité de l’échantillon est limitée et ne permet qu’une caractérisation de la nature des sols. Cette technique est couramment pratiquée en carottage de chaussée.
Carotte chaussee.JPG

carottier double :

le système comporte un tube extérieur entraîné en rotation portant la couronne et un tube intérieur monté sur pivot en partie haute qui ne tourne pas et emmagasine l’échantillon. Le fluide de forage circule entre le tube extérieur et le tube intérieur. À l’exception des sols mous, les prélèvements réalisés par cette méthode permettent de caractériser la nature et partiellement l’état des sols (à l’exception des caractéristiques mécaniques). Cette méthode est la plus couramment appliquée en géotechnique.

carottier triple :

ce carottier ajoute au carottier double un étui amovible qui recueille l’échantillon et permet l’extraction d’une carotte directement conditionnée. À l’exception des sols mous et fins, cet outil assure le meilleur type de prélèvement et autorise la caractérisation de la nature et de l’état des sols. L'échantillon n'est jamais en contact avec le fluide de forage et directement protégé par une gaine en PVC. Cette gaine peut être fendue ou non, translucide ou non.
Figure n°5 : les différents types de carottiers rotatifs (source – [1])

51carottage.png 52carottage.png

carottier à trousse dépassante :

Il s’agit d’un carottier double dont le tube intérieur est muni d’une trousse coupante qui se prolonge en dehors de la couronne fixée sur le tube extérieur. Ce système permet le prélèvement d’échantillon de meilleure qualité car découpé par la trousse coupante « fine » ; la couronne ne venant que supprimer les frottements avec le sol en place. Ce procédé est également connu sous l’appellation « carottier Mazier ».

carottier à câble :

la particularité de ce système ne réside pas dans le mode de découpage de l’échantillon, mais dans la liaison entre le carottier et la machine. Les tiges reliant la machine à l’outil sont remplacées par un tubage de section constante depuis la surface jusqu’au fond. Ce tubage est entraîné en rotation et en pression, son extrémité inférieure portant une couronne (Fig. n°6). Dans ce tubage, on descend un carottier, qui se verrouille lorsqu’il atteint sa place en bas du tubage sur des épaulements prévus à cet effet. Lorsque la passe de carottage est achevée, le carottier est déverrouillé à l'aide d’un système repêcheur (l’overshot). L’ensemble repêcheur-carottier-carotte est remonté à l’aide d’un treuil. Outre le gain de temps, le maintien du tubage en place assure la stabilité du forage.

carottier fixé au tubage Phase de remontée carottier carottier remonté en surface au treuil désolidarisé du tubage tubage dans le terrain

Figure n°6 : Carottier à câble (schéma P.Reiffsteck, photographie SEFI)

Applications

Les sondages carottés fournissent la meilleure qualité d’échantillon permettant de caractériser à la fois la nature et l’état des sols. Cependant, leur réalisation est longue et coûteuse et leur emploi est généralement destiné à répondre à des questions spécifiques posées par les études (calage géologique de référence, échantillons pour fixer les calculs de stabilité …).
Tours carotte.JPG Carotte bourges.JPG Carottes en caisse.jpg Recup carotte.jpg Sondeuse sur barge.jpg Atelier sondage tours.JPG
photographies (de gauche à droite) : sondages à Tours, caisse de carottes de Bourges, ensemble de prélèvement sous gaine (carottage triple enveloppe) prélèvement sous papier paraffiné et non protégé, photos d'archives et carottage sur barge lors de l'effondrement du pont Wilson à Tours, atelier de sondage à Tours

Difficultés - Malfaçons

De même que pour les autres types de sondages, la qualité des sondages carottés dépend évidemment des matériels employés, des modalités d’exécution mais également de l’expérience de l’opérateur. Ce dernier paramètre est sans doute prégnant pour les sondages carotté tant la connaissance locale joue un rôle prégnant dans la recherche d’une adéquation entre outils de prélèvement et sol à prélever : le choix d’opérateur localement expérimenté est un critère de qualité.


Face à ce constat, outre des objectifs assignés au sondeur, tel qu’un taux de récupération minimum à atteindre, la recherche de qualité doit aussi être intégrée dans la conception de la campagne de reconnaissance. Pour choisir les bons outils, il convient de connaître les terrains : il peut donc être pertinent de commencer par exécuter des sondages plus simples renseignant sur la nature des terrains avant de chercher à prélever des échantillons de qualité.


Enfin, il faut souligner que la qualité du sondage carotté dépend également de son objectif : dans le cas de prise d’échantillons pour essais en laboratoire, l’échantillon doit être le moins remanié possible (tant lors du prélèvement que lors de son transfert au laboratoire) mais surtout avoir un diamètre suffisant pour confectionner des éprouvettes : carotte de 92mm de diamètre minimum soit un carottier de 116mm.


Certaines difficultés sont liées au respect de l'environnement et au rebouchage du trou. On peut en effet avoir la nécessité de prendre des précautions spécifiques liées :

  • aux voies d'accès pour le matériel de sondage
  • aux fluides utilisés et leur conséquence sur les nappes phréatiques (fluide biodégradable)
  • aux éventuelles fuites d'huile, d'hydrocarbure et autres fluides potentiellement polluants
  • au rebouchage du trou pour éviter le risque de tassement, d'érosion interne, de chute

dans chacun des cas les précautions sont envisagées avec les services de contrôle ad hoc et transcrites dans un document de type Plan de Prévention Sécurité et Sanitaire ou Plan d'Assurance de la Qualité.

Référentiel technique et normatif

Norme XP P 94-202
Norme ISO 22475-1

pour aller plus loin :

Philippe REIFFSTECK, Daniel LOSSY, Jean BENOÎT (2012) Forages, sondages et essais in situ géotechniques. Les outils pour la reconnaissance des sols et des roches. Ed. Presse des Ponts. 796 pages.

  1. Norme XP P 94-202

Couverture forage.bmp

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