SOL SOLUTION PRÉSENTE LE PANDA 3® : UNE NOUVELLE GÉNÉRATION DE PÉNÉTROMÈTRES DYNAMIQUES

À la lumière d’une vingtaine d’années d’expériences et de recherches sur le Panda®, il nous a semblé nécessaire de procéder à une refonte approfondie de l’appareil avec un double objectif : intégrer les avancées technologiques actuelles et renouveler l’intérêt porté sur les pénétromètres dynamiques.
En 2009, le projet « Panda 3® » a vu le jour, et, après une petite dizaine d’années de travail, il permet aujourd’hui de consolider en France et dans le monde entier l’avancée technologique et scientifique de la société dans le domaine des essais pénétrométriques.

DU PÉNÉTROMÈTRE DYNAMIQUE AU PANDA 3®

En géotechnique, l’utilisation du pénétromètre dynamique est une pratique mondialement reconnue.
Très employé en France pour le contrôle de compactage, il est ailleurs très utilisé pour les travaux
de reconnaissance géotechnique voire pour le dimensionnement de fondations.
Le pénétromètre dynamique est un moyen simple, rapide et économique d’investigation des sols permettant : d’apprécier la résistance des terrains traversés et déterminer l’épaisseur et la profondeur des différentes couches ; d’effectuer des contrôles de compactage ; d’estimer une caractéristique de
portance ; de prévoir la réaction du sol à l’enfoncement de pieux…

Cette technique dérive de la mise en oeuvre des pilotis en bois, et date donc de l’aube de l’histoire
humaine. Les premières expériences connues de l’essai de pénétration dynamique remontent au XVIIe siècle en Europe. Depuis, plusieurs générations du pénétromètre dynamique se sont succédé
avec une amélioration sensible apportée à l’appareil de base. Il existe des pénétromètres dynamiques
de toutes tailles et de toutes puissances de pénétration.
Néanmoins, le pénétromètre dynamique a été trop longtemps considéré comme un appareil de reconnaissance rudimentaire et non satisfaisant, car il cache de nombreux défauts liés à sa conception, son utilisation, l’instrumentation associée et surtout son interprétation. En effet, les
pénétromètres dynamiques n’ont pas bien évolué : ils demeurent une technique un peu ancienne, et leur interprétation est restée largement empirique, contrairement aux pénétromètres statiques (CPT, CPTu…) ou au pressiomètre ayant connu un grand développement des acquisitions grâce à l’implantation de multiples capteurs.
Malgré tout, faire vibrer une barre en acier encastrée dans le terrain à la suite d’un impact n’est pas un
moyen moins intéressant d’ausculter le sol que celui de gonfler un ballon ou de pousser une barre.
C’est bien le contraire, car un choc tel qu’un séisme ou le passage d’un TGV entraîne une sollicitation
très riche en contenu spectral et dont les fréquences excitées sont multiples… à condition de savoir le
mesurer et surtout l’analyser !

Inspirés des travaux réalisés en France autour du Panda®, seul pénétromètre dynamique, à l’époque, entièrement instrumenté dans le monde, un travail de refonte approfondi sur la technique, la théorie, mais aussi sur l’instrumentation, l’analyse des signaux et leur interprétation a été réalisé. L’objectif étant de concevoir la 3e génération de ces pénétromètres dynamiques permettant, d’une part, d’obtenir la résistance de pointe du sol ausculté, et, d’autre part, de déterminer, par l’analyse et le traitement des signaux enregistrés lors du battage, des paramètres supplémentaires gouvernant le comportement en déformation du sol mis en jeu lors de l’enfoncement du cône, traduit par la courbe charge-enfoncement du sol en pointe. Un nouvel appareil et une nouvelle technique pour la caractérisation de sols sont nés : le Panda 3®.

PRINCIPE FONDAMENTAL DE L’ESSAI

L’interprétation de l’essai a été depuis très longtemps expliquée par le biais de formules de battage dérivées de la théorie de chocs de Newton, et couramment utilisées pour le battage de pieux. Toutefois, depuis les travaux de Barré de Saint-Venant (1867), on sait que le battage d’un pénétromètre, comme celui d’un pieu, est mieux représenté par la théorie de propagation d’ondes.
Lors du battage d’un pénétromètre, l’impact du marteau entraîne dans les barres une onde de compression (onde descendante) qui se propage très rapidement (environ 5 200 m/s) vers l’extrémité inférieure. Lorsque l’onde de compression arrive au niveau de la pointe, une partie de celle-ci est utilisée pour déformer et cisailler le sol alors qu’une autre partie est en même temps réfléchie dans les barres vers le haut (onde remontante). Une fois que l’onde remontante retrouve l’extrémité supérieure des barres, une nouvelle réflexion vers la pointe aura lieu et le phénomène devient cyclique. Il a été montré que la connaissance de ces deux ondes, descendante et remontante, permettrait de résoudre l’équation décrivant la cinématique du pénétromètre pendant son enfoncement dans le sol.
Le principe fondamental du Panda 3® s’appuie sur cette approche et consiste à mesurer et à découpler les ondes créées par l’impact du marteau sur la tête de l’appareil et à calculer ensuite la force, l’accélération, la vitesse et le déplacement subis en pointe, permettant de tracer la courbe
charge-enfoncement du sol pour chaque coup de marteau. En termes pratiques, le Panda 3®
fournit pour chaque impact donné, et donc quasiment tous les 10 millimètres de pénétration, une courbe charge-enfoncement qualitativement similaire à celle obtenue à la suite d’un essai pressiométrique ou de chargement à la plaque.
L’exploitation de cette courbe permet de déterminer des paramètres de résistance et de déformation
tels que la résistance dynamique et pseudo-statique, le module pénétrométrique, la vitesse d’ondes de
compression et cisaillement, ainsi qu’un coefficient d’amortissement du sol.

CARACTÉRISTIQUES DE L’APPAREIL

Les caractéristiques générales du Panda 3® sont identiques à celles de ses « grands frères »,

à savoir : une masse de battage, une tête de mesure instrumentée, un train de tiges et une pointe
conique. Le tout relié à un système d’acquisition permettant d’enregistrer, stocker et afficher l’information du sondage réalisé. Cependant, le principe de mesure du Panda 3® impose la mise en oeuvre d’une technologie de pointe.
La tête de battage est instrumentée avec une série de capteurs, jauges de contrainte et accéléromètres haut de gamme permettant de mesurer des impacts entraînant des accélérations de
l’ordre de 20 000 g ! Les techniques de fixation des capteurs au corps d’épreuve, la protection de ceux-ci et la connectique ont été spécialement conçues pour résister aux conditions extrêmes du
terrain.
La chaîne d’acquisition comporte une carte d’acquisition permettant d’échantillonner les mesures à
500 kHz et un PC (tablette durcie tactile équipée d’un GPS) ayant une puissance de calcul très élevée. Le logiciel Dynawave®, spécialement conçu pour cette application, enregistre, analyse et exploite les mesures en temps réel. Chaque enregistrement et donc chaque courbe chargeenfoncement
sont caractérisés par au moins 100 000 points de mesure, soit une mesure toutes les 2 microsecondes.

LE BESOIN D’ALLER PLUS LOIN : LE GRIZZLY 3® À BATTAGE ASSERVI PAR ORDINATEUR

La technologie mise au point dans le Panda 3® relève un défi resté depuis très longtemps sans réponse : maîtriser et relier les efforts aux déplacements induits dans le sol par le pénétromètre lors du battage. L’obtention de la courbe chargeenfoncement est d’une richesse incroyable pour les cabinets géotechniques et toute la profession.
Toutefois, les limites du Panda® concernant la puissance de pénétration et la profondeur des auscultations sont connues.
Ainsi, à l’instar de l’évolution des textes normatifs en France et en Europe concernant, d’une part, la
caractérisation géotechnique de sols et, d’autre part, la calibration énergétique conseillée aux usagers
de pénétromètres dynamiques, il a semblé important d’aller encore plus loin : développer un pénétromètre dynamique lourd piloté par ordinateur intégrant un asservissement de l’énergie de battage en temps réel, et les mesures dynamiques développées autour du Panda 3®. Le Grizzly 3® est ainsi né en 2014.
Il s’agit d’un pénétromètre DPSH (EN ISO 22476-2) sur chenilles, tout terrain et facilement transportable sur un véhicule utilitaire de type Renault Trafic. Il est instrumenté avec différents capteurs et piloté par un ordinateur embarqué qui gère en même temps la machine, les sondages et les mesures dynamiques réalisées à chaque battage.
Pour aboutir à ce projet et accomplir le cahier des charges initial, les principales caractéristiques
et innovations introduites dans le Grizzly 3® sont :

• une machine de battage sur chenilles de grande puissance de pénétration, mais assez légère
  pour être transportée d’un site à l’autre avec des véhicules utilitaires classiques ;
• un pilotage de la machine et des sondages par ordinateur embarqué. Chaque sondage est géolocalisé grâce au GPS incorporé ;
• une tête de mesure équipée de jauges de contrainte et d’accéléromètres pouvant être installée
  dans des tiges de diamètres compris entre 26 et 36 millimètres ;
• un système d’acquisition, d’analyse et de traitement des signaux avec une fréquence d’échantillonnage de 500 kHz ;
• un système d’asservissement de l’énergie de battage, permettant de faire varier l’énergie de battage et avoir une courbe chargeenfoncement précise dans le cas de sols mous.

Le Grizzly 3® permet de réaliser des sondages jusqu’à une profondeur de plus de 20 mètres (selon
la compacité des sols rencontrés), et, à l’instar du Panda 3®, pour chaque impact d’avoir la courbe
charge-enfoncement et l’ensemble de paramètres exploités à partir de cette courbe.
La technologie incorporée au Grizzly 3® permet également de mesurer en temps réel, l’énergie de battage véritablement transmise aux barres, et calculer ainsi le coefficient d’efficience du système
afin de corriger, dans le cas d’une application courante, la valeur du nombre de coups N (telle que préconisée dans la norme EN ISO 22476-2 – annexe B ou dans la norme américaine ASTM D4633 – 16).

L’INTRODUCTION DE L’ÉNERGIE VARIABLE AUX PÉNÉTROMÈTRES DYNAMIQUES LOURDS : UN CONCEPT SOL SOLUTION

Les pénétromètres dynamiques lourds DPSH, dont le Grizzly®, sont les mieux adaptés pour intervenir
sur les couches de sol très compactes présentant des résistances supérieures à 50 MPa. En revanche, dans les sols mous, ce type de matériels a le défaut de ses qualités : un battage peut enfoncer la pointe de 200 millimètres d’un seul coup, voire plus.
Dans de tels cas, la mesure perd beaucoup en finesse et précision.
Or ces zones molles pathogènes ou particulières intéressent d’autant plus les géotechniciens. Pour
contourner cette difficulté, dans l’état actuel des connaissances et si le matériel le permet, l’opérateur
peut modifier à la baisse ou à la hausse la masse de battage ou la hauteur de chute. Réalisées au cours de l’essai, il s’agit d’interventions dangereuses et chronophages. Efficace pour le cas de
sols durs, la variation de l’énergie pour le cas de sols meubles s’avère impraticable.
C’est pour répondre à ce besoin que Sol Solution propose une automatisation complète et en temps
réel de cette adaptation d’énergie de battage en fonction de la compacité des sols rencontrés lors du sondage. Une série de capteurs et de systèmes électromécaniques sont installés sur la machine afin de disposer de plusieurs énergies : DPL, DPM, DPH et DPSH (Norme EN ISO 22476-2) par variation de la hauteur de chute et tout en conservant la même masse de battage. Tout cela est commandé par le PC embarqué sur le Grizzly®. Selon l’enfoncement du battage précédent, l’ordinateur décide instantanément de la valeur de H pour le coup suivant, s’adaptant ainsi en temps réel à la résistance rencontrée : plus le sol présente des variations de résistance, plus les changements d’énergie et donc de hauteur sont fréquents ; et tout cela sans aucune intervention de l’opérateur sur la machine ni
interruption du battage. Lors d’un sondage, la résistance de pointe est calculée automatiquement en
fonction de l’énergie de battage apportée. Les résultats obtenus sont enregistrés et tracés immédiatement en fonction de la profondeur sur l’écran du PC.
Cette nouvelle technique permet d’obtenir un profil ayant une résolution très fine en profondeur et de
limiter l’énergie de battage dans le cas de sols mous et/ou saturés, en augmentant ainsi la fiabilité des
mesures.
Cette technologie innovante de battage servo-assisté montre tout son intérêt lorsqu’on la couple avec
les mesures dynamiques découlant du Panda 3® afin d’obtenir pour chaque impact la courbe
charge-enfoncement en pointe, et donc la valeur de la résistance de pointe, du module pénétrométrique, la vitesse d’ondes et le coefficient d’amortissement du sol.

Cette 3e génération de pénétromètres dynamiques supersophistiqués parvient maintenant à
maturité. Riche de nombreuses applications nouvelles, apte à intervenir à des profondeurs plus
importantes, nous espérons qu’elle saura satisfaire nos clients et leur apporter une richesse d’informations supplémentaires et une augmentation de leur productivité.
La méthode et la technologie associée au Panda 3® et au Grizzly 3®, mais aussi l’appareil et le
mode opératoire, ont fait l’objet de nombreux travaux de R&D (3 thèses doctorales, une dizaine de PRD, des communications nationales et internationales) ainsi que d’une série de dépôts de brevets en
France et à l’étranger.

Anne-Sophie Veret
Directrice générale, Sol Solution
Philippe Moustan
Responsable service commercial, Sol Solution
Miguel Angel Benz Navarrete
Responsable R&D, Sol Solution