ISO 22476-16:2024
(Main)Geotechnical investigation and testing — Field testing — Part 16: Borehole shear test
Geotechnical investigation and testing — Field testing — Part 16: Borehole shear test
This document is applicable to the borehole shear test using the phicometer procedure, commonly named the phicometer test (etymologically derived from phi for friction angle, co for cohesion and meter for measurement). The test can be performed in all types of natural soils, fills and artificial soils, which can be saturated or not. It does not apply to very soft fine soils, very loose coarse soils, medium strong to very strong rocks and natural or artificial soils with a predominance of cobbles having a particle diameter greater than 150 mm. Generally, the test is applicable in soils with an order of magnitude of their in situ resistance characteristics as follows: — Ménard pressuremeter limit pressure: 0,4 MPa lM — CPT Cone resistance: 1,5 MPa — SPT N: 8 The test can also be carried out in soils presenting a resistance outside these application limits as long as the representativeness of the results is assessed or validated by the analysis of the PBST graphs (see Clause 8). This document applies only to tests carried out at a depth less than or equal to 30 m. The parameters derived from this test are the shear strength properties, as the cohesion and angle of friction.
Reconnaissance et essais géotechniques — Essais en place — Partie 16: Essai de cisaillement en forage
Le présent document est applicable à l'essai de cisaillement en forage selon la procédure du phicomètre, couramment appelé essai au phicomètre (dont l'étymologie vient de phi (φ) qui désigne l'angle de frottement, co qui désigne la cohésion et mètre pour faire référence à une mesure). L'essai peut être effectué dans tous les types de sols naturels, de remblais et de sols artificiels, pouvant être saturés ou non. Il ne s'applique pas aux sols fins très mous, aux sols grossiers très lâches, aux roches moyennement résistantes à très résistantes ni aux sols naturels ou artificiels avec une prédominance de cailloux dont la granulométrie est supérieure à 150 mm. En règle générale, l'essai est applicable aux sols dont les caractéristiques de résistance in situ sont de l'un des ordres de grandeur donnés ci-après: — Pression limite pressiométrique Ménard: 0,4 MPa lM — Mesure de la résistance au cône par essai de pénétration (CPT): 1,5 MPa Annexe E); — SPT N: 8 Annexe E). L'essai peut également être effectué dans des sols dont la résistance se situe en dehors de ces limites d'application à condition d'évaluer ou de valider la représentativité des résultats par l'analyse des graphiques PBST (voir Article 8). Le présent document s'applique uniquement aux essais réalisés à une profondeur inférieure ou égale à 30 m. Les paramètres déduits de cet essai sont les propriétés de résistance au cisaillement, à savoir la cohésion et l'angle de frottement.
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
International
Standard
ISO 22476-16
First edition
Geotechnical investigation and
2024-10
testing — Field testing —
Part 16:
Borehole shear test
Reconnaissance et essais géotechniques — Essais en place —
Partie 16: Essai de cisaillement en forage
Reference number
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Published in Switzerland
ii
Contents Page
Foreword .v
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms, definitions and symbols . 1
3.1 Terms and definitions .1
3.2 Symbols .3
4 Equipment . 4
4.1 General .4
4.2 Phicometer probe .6
4.3 Connection tube line and pulling rods .6
4.3.1 Connection tube line .6
4.3.2 Pulling rods .6
4.4 Equipment at ground surface .8
4.4.1 Pulling device .8
4.4.2 Pressure-volume control unit (CU) .8
4.4.3 Regulation system of the traction speed of the probe .8
4.5 Means of measurement and control .8
4.5.1 Time .8
4.5.2 Pressure, volume and pulling force .8
4.5.3 Axial displacement .9
4.5.4 Display of readings .9
4.5.5 Dimensions of the shearing zone of the probe .9
5 Test procedure . 9
5.1 Checks and measurements before insertion of the probe in the ground .9
5.2 Borehole drilling phase, probe placing phase and zero setting .9
5.3 Minimum spacing between tests .10
5.4 Teeth insertion phase . 12
5.5 Shearing phase .14
5.5.1 Loading program – applied hold pressures in the probe .14
5.5.2 Successive shearing stages under pressure holds .14
5.5.3 End of the test . 15
6 Back-filling of the phicometer borehole .15
7 Safety requirements.15
8 Test results . .16
8.1 General .16
8.2 Shearing curve graph — Shear strength parameters φ and c .16
i i
8.3 Associated graphs .16
8.4 Adjustment and determination of the in situ phicometer angle of friction φ and the in
i
situ phicometer cohesion c .16
i
8.5 Examples of adjustment and determination of the in-situ angle of friction φ and
i
cohesion c .17
i
9 Reporting .18
9.1 General .18
9.2 Field report .18
9.3 Test report .21
9.4 Tests log . 22
Annex A (normative) Characteristics of the phicometer probe .23
Annex B (normative) Calibration, checks and corrections .24
Annex C (normative) Execution of the PBST borehole .28
iii
Annex D (normative) Determination of the shear strength parameters .30
Annex E (informative) Correlations to estimate p from other soil resistance parameters q
lM c
and N .32
Annex F (normative) Accuracy and uncertainties .33
Annex G (informative) Examples of adjustment and determination of the in situ phicometer
angle of friction φ and cohesion c .35
i i
Annex H (informative) Example of installation of the PBST equipment .40
Bibliography . 41
iv
Foreword
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bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through
ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee
has been established has the right to be represented on that committee. International organizations,
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with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
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This document was prepared by Technical Committee ISO/TC 182, Geotechnics, in collaboration with
the European Committee for Standardization (CEN) Technical Committee CEN/TC 341, Geotechnical
Investigation and Testing, in accordance with the Agreement on technical cooperation between ISO and CEN
(Vienna Agreement).
A list of all parts in the ISO 22476 series can be found on the ISO website.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.
v
Introduction
The determination of the shear strength of soils is of paramount importance in geotechnical investigation
and testing of soils. The shear resistance of soils and materials, characterised by the friction angle φ and the
cohesion c, represents an important parameter for the geotechnical engineer while studying the stability of
construction works and structures in relation with soils and materials. Usually, this resistance is measured
in the laboratory using triaxial tests or direct shear tests carried out on field samples and only if sampling,
conservation and preparation make it possible to consider the samples as non remolded and sufficiently
representative of the soil in place.
Since the 1960’s, various experimental devices have been designed and developed to determine the shear
strength directly in situ from tests carried out in boreholes, in different soils at different depths.
The study of the bibliography literature shows that the majority of the existing borehole shear tests are
based on the use of probes for applying and maintaining a normal pressure on the walls of the borehole
and then to carry out a shear phase by a linear displacement of the probe on the soil against the walls of the
borehole. The procedure is then repeated through a multistage increase of the normal pressure to obtain
more values relating normal pressure and shear resistance.
The test equipment and apparatuses differ from each other by the geometry and size of the probes and by
the shape of the friction part of these probes and by the procedure for applying normal pressure stages and
shear phases.
[13]
One of the first devices of this kind is the Iowa Borehole Shear Tester (BST) developed in the USA. The
test is performed by placing a bilateral expandable probe, equipped with two diametrically opposed shear
plates in a predrilled borehole, expanding the probe against the wall of the borehole and causing a shear
failure in the soil by pulling the probe axially along the borehole. The size of the shear plates is relatively
small (32,3 cm ) and does not allow testing of soils with coarse elements, which can somewhat limit its field
of application.
[15]
In the early 1970s, H. Mori, in Japan, developed an in situ shearing device called the IST which was used in
many projects. The principle of the test is carried out by generating a shearing force while pulling upwards
a cylindrical expandable probe provided with teeth driven into the wall of the borehole but it is not reported
whether the IST test continues to be performed currently.
[14]
A self-boring in situ friction test (SBIFT), also developed in Japan, allows the evaluation of soil
characteristics as the initial horizontal at rest pressure, and deformation modulus and strength
characteristics (cohesion and internal friction angle) of the soil. The SBIFT possesses a self-boring drilling
functionality that can reduce the disturbance of the tested soil. However, very few data and results are
available to currently validate this device and the characteristics of the soil it provides.
The same way as the SBIFT, a self-boring in situ shear pressuremeter (SBISP), was recently developed in
[12]
China, that allows the evaluation of pressuremetric characteristics as the initial horizontal at rest
pressure, deformation yield pressure and modulus and also strength characteristics (cohesion and internal
friction angle) of the soil. The SBISP possesses a self-boring drilling functionality that can greatly reduce
the disturbance of the tested soil. However, very few data and results are available to currently validate this
device and the characteristics of the soil it provides.
This document applies to the borehole shear test using the phicometer procedure, commonly named the
phicometer borehole shear test (PBST). This test has been invented and developed by Gérard Philipponnat
[10]
in the 1980’s.
This test has been the subject, between 1986 and 1992, of several applied research programs to design the
apparatus and its components and to develop and optimize a common test procedure that can be used in a
majority of soils. Various articles have been published as a result of these researches and since then PBST
tests continue to be carried out currently, for the determination of the shear strength parameters from the
test and to derive values for the undrained shear strength and an estimation of the drained effective shear
[9]
resistance parameters. The test has been standardized in France since 1997.
vi
The borehole shear test using the phicometer covers a four-phases procedure consisting of drilling a
borehole, lowering the probe to the test depth, inflating it into the borehole wall and shearing the soil by
applying a series of steps of controlled radial pressure and simultaneously pulling out the probe with a
constant displacement rate. The test sequences are shown in Figure 1.
a) Borehole drilling b) Probe placing phase: c) Teeth insertion phase: d) Shearing phase: pull-
phase: drilling a phico- lowering the deflated radial expansion of ing on the probe inflated
meter borehole with probe to the test pocket probe and insertion of with a constant radial
casing (if necessary) and depth the annular teeth in the pressure at each multi-
setting up the PBST test borehole wall stage step
pocket in the borehole
bottom
Key
1 ground surface 4 casing (if necessary) 7 probe (inflated state)
2 ground 5 string of rods 8 radial pressure
3 borehole 6 probe (deflated state) 9 pulling force
S cylindrical shear surface
Figure 1 — General arrangement and phases of the phicometer procedure borehole shear test
vii
International Standard ISO 22476-16:2024(en)
Geotechnical investigation and testing — Field testing —
Part 16:
Borehole shear test
1 Scope
This document is applicable to the borehole shear test using the phicometer procedure, commonly named
the phicometer test (etymologically derived from phi for friction angle, co for cohesion and meter for
measurement).
The test can be performed in all types of natural soils, fills and artificial soils, which can be saturated or not.
It does not apply to very soft fine soils, very loose coarse soils, medium strong to very strong rocks and
natural or artificial soils with a predominance of cobbles having a particle diameter greater than 150 mm.
Generally, the test is applicable in soils with an order of magnitude of their in situ resistance characteristics
as follows:
— Ménard pressuremeter limit pressure: 0,4 MPa < p < 3,5 MPa approximately or more than 4 MPa in
lM
granular non-cohesive soils;
— CPT Cone resistance: 1,5 MPa
— SPT N: 8
The test can also be carried out in soils presenting a resistance outside these application limits as long as the
representativeness of the results is assessed or validated by the analysis of the PBST graphs (see Clause 8).
This document applies only to tests carried out at a depth less than or equal to 30 m.
The parameters derived from this test are the shear strength properties, as the cohesion and angle of
friction.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content constitutes
requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For undated references,
the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 10012, Measurement management systems — Requirements for measurement processes and measuring
equipment
ISO 22475-1, Geotechnical investigation and testing — Sampling methods and groundwater measurements —
Part 1: Technical principles for the sampling of soil, rock and groundwater
3 Terms, definitions and symbols
3.1 Terms and definitions
For the purposes of this document, the following terms and definitions apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1.1
borehole shear test
process during which a special shearing probe is installed in a borehole at a defined depth and inflated
against the borehole wall and pulled to determine the resulting shear resistance of the soil
Note 1 to entry: This process is repeated with a succession of increased maintained normal pressure steps so as to
obtain a pressure versus shear stress relation of the soil.
3.1.2
phicometer borehole shear test
PBST
shear test performed in a phicometer borehole (3.1.4) with the phicometer probe (3.1.6) and the phicometer
test procedure
Note 1 to entry: See Clause 5 for the phicometer test procedure.
3.1.3
phicometer
whole equipment which is used to carry out a phicometer borehole shear test (3.1.2)
3.1.4
phicometer borehole
part of a borehole in which the phicometer test pocket (3.1.5) is to be set up
Note 1 to entry: See 5.2.
3.1.5
phicometer test pocket
cylindrical cavity with a circular section made in a borehole and in which the phicometer probe (3.1.6) is
placed, brought into contact and pulled upwards during the test phases
3.1.6
phicometer probe
cylindrical expandable probe with annular shearing teeth, used to carry out a phicometer borehole shear test
(3.1.2)
Note 1 to entry: See 4.2 and Figure 3.
3.1.7
phicometer test diagram
set of plots resulting from the PBST (3.1.2) test and allowing the determination of the shear resistance of the soil
Note 1 to entry: See Clause 8 and Figure 6.
3.1.8
phicometer cohesion
in situ cohesion c obtained from the phicometer test diagram (3.1.7)
i
3.1.9
phicometer angle of friction
in situ angle of shear friction φ obtained from the phicometer test diagram (3.1.7)
i
3.1.10
depth of test
distance between the ground level and the centre of the shearing zone of the phicometer probe measured
along the borehole axis
3.1.11
operator
technician trained in carrying out PBST tests, in accordance with this document
3.2 Symbols
For the purposes of this document, the symbols of Table 1 apply.
Table 1 — Symbols
Symbol Description Unit
T Pulling force on the probe kN
T Maximum pulling force kN
l
V Volume injected into the measuring cell of the probe as read on the cm
control unit
V Volume injected into the measuring cell of the probe at the beginning cm
d
of the application of the pulling force (V = V )
d 60
V Volume injected into the measuring cell of the probe at the end of the cm
f
application of pulling force
V Volume injected into the measuring cell of the probe after 30 s under cm
a constant pressure phase
V Volume injected into the measuring cell of the probe after 60 s under cm
a constant pressure phase
d Initial diameter of the probe at rest in the shearing zone (see Figure 3) mm
s0
c phicometer cohesion measured in situ by the PBST kPa
i
d Diameter of the probe in the shearing zone after injection of a volume mm
s
V (see Figure 3)
d Diameter of the pocket at the level of the test mm
t
d Outside diameter of the measuring cell of the probe mm
c
l Slots length of the expansible shear tube mm
t
l Distance between the rings of the measuring cell of the probe mm
c
l Conventional length of the shearing zone (see Figure 3) mm
s
N Standard penetration test SPT Blow count (see ISO 22476-3) -
p Conventional radial pressure applied to the ground after corrections kPa
c
p Probe stiffness pressure loss determined by calibration kPa
e
p Pressure due to the injection liquid column in the probe (between kPa
h
z and z )
c s
p Ménard pressuremeter limit pressure (see ISO 22476-4) MPa
IM
p Pressure of the liquid injected into the phicometer measuring cell, kPa
r
read at the level z of the control unit (CU)
c
p Pressure of the liquid at the centre of the measuring cell kPa
z
q Cone penetration resistance (see ISO 22476-1 or ISO 22476-12) MPa
c
t Time s
v Rate of axial displacement of the probe during the pulling phase mm/min
z Elevation, ascending above datum m
z Elevation of the ground surface level at the location of the test m
z Elevation of the pressure measuring device of the liquid injected into m
c
the phicometer measuring cell
z Elevation of the drilling fluid in the borehole m
e
z Initial level of water or mud measured in the borehole before the m
ei
beginning of the test
TTaabbllee 11 ((ccoonnttiinnueuedd))
Symbol Description Unit
z Final level of water or mud measured in the borehole after the end m
ef
of the test
z Elevation of the centre of the shearing zone of the phicometer probe m
s
at the beginning of the test
z Elevation of the ground water table (or free water surface in a marine m
w
or river environment)
γ Unit weight of the liquid injected into the measuring cell kN/m
l
γ Unit weight of water kN/m
w
Δl Axial displacement of the probe during shearing mm
Δp Loading pressure increment kPa
Δt Duration of a pressure hold at a loading stage s
Δt Duration of a loading pressure hold during the preliminary phase s
p
ΔV Injected volume change from 30 s to 60 s after reaching the pressure cm
hold
φ Phicometer angle of friction measured in situ with the phicometer °
i
borehole shear test
τ Shear stress kPa
τ Conventional limit shear stress kPa
l
4 Equipment
4.1 General
The equipment to carry out phicometer borehole shear tests shall consist of the following components:
— phicometer probe,
— pressure – volume control unit (CU),
— a line to connect the probe to the CU,
— a pulling device placed on a reaction base on the ground surface and linked to the probe with pulling rods,
— a device to control the axial shearing displacement rate,
— means of measurement and display of pressure, volume, pulling force, axial displacement and the external
diameter of the shearing zone of the probe.
The equipment can also include a data logger.
A phicometer borehole shear test (PBST) device assembly is shown in Figure 2.
An example of installation of the PBST equipment is shown in Annex H.
Key
1 borehole 3 string of rods 5 borehole casing (if necessary)
2 phicometer probe 4 connecting line 6 reaction base
2a expansible slotted tube 2c shearing zone mobilized by the
probe teeth
2b annular teeth 2d inflatable measuring cell
A data logger (optional) B2 volume measurement C2 pulling device with timer
B pressure-volume control unit (CU) B3 display of readings D axial displacement control
B1 pressure regulator & injection device C1 measurement of pulling force
Figure 2 — Diagram of the PBST test device assembly and its components
4.2 Phicometer probe
The phicometer probe is shown in Figure 3. It consists of a steel slotted device, called “expandable slotted
shear tube” in which a radially expandable cylindrical cell called “measuring cell” is placed.
The expandable slotted shear tube is a hollow steel cylinder rigidly connected to the pulling rods to ensure
its operation and to transmit the pulling force to the probe from the surface of the ground. It is designed
with different parts featuring:
— a central shearing zone, made up of six initially jointed rigid plates, parallel to the axis of the probe and
comprising ten annular teeth, regularly spaced vertically;
— two guard zones, made up of metal strips acting as a spring;
— an inflatable measuring cell placed at the level of the central shearing zone inside the expandable slotted
shear tube and which is composed of a steel core, a deformable flexible membrane and a tube for liquid
injection used to inflate this cell and to measure its volume.
The characteristics of the probe shall be as given in Annex A. Two types of deformable flexible rubber
membranes exist:
— a standard membrane;
— a reinforced membrane.
The standard membrane is used for all soil types.
The reinforced membrane is exclusively used for aggressive soils where damaging and bursting of the cell
probe occurs frequently.
4.3 Connection tube line and pulling rods
4.3.1 Connection tube line
The flexible tube line connecting the pressure volume control unit to the probe is used to inject the fluid in
the measuring cell.
The expansion coefficient of this line shall be lower than 0,1 cm /MPa per meter of line.
4.3.2 Pulling rods
A string of steel rods connects the probe to the equipment placed on the ground surface. The resistance of
this string of rods shall withstand the efforts and stresses generated by the test during all its phases.
The elongation of the drill string shall remain less than 0,05 % of its total length.
The section of the rods and their fittings shall allow free sliding of the drill string in the borehole.
The part of the pulling rods above the ground surface is threaded over all its length, to allow the adjustment
of the locking system of the string of rods on the pulling device (see 4.4.1).
Key
1 expandable slotted shear tube 2 steel core of the inflatable measuring 3 measuring cell membrane
cell, placed between two spacers
4 tube line for liquid injection 5 purge 6 rings for tightening of the membrane
7 joints 8 liquid for inflating the membrane 9 annular teeth of the shearing zone
10 rods-probe coupling system 11 probe shearing zone 12 probe guard zones
NOTE The symbols in Figure 3 are defined in Table A.1.
Figure 3 — Phicometer probe
4.4 Equipment at ground surface
The equipment includes:
— a pulling device;
— a pressure-volume control unit (CU) allowing the pressurisation and the expansion of the probe;
— a regulation system to control the traction pulling speed of the probe.
4.4.1 Pulling device
The pulling device includes:
— A reaction base, with optional plates, for the distribution of loads on the ground surface.
— A hollow cylinder jack with a diameter hole allowing the upper end of the pulling rods string to pass
freely and for axially tensioning the rods string and the connected probe.
— A device for locking the upper end of the pulling rods string above the hollow cylinder jack.
— A device that measures the pulling force. This device placed between the probe and the locking system
can be either at the ground surface or in the borehole.
4.4.2 Pressure-volume control unit (CU)
Placed at the ground surface, the pressure-volume control unit allows to ensure the expansion of the probe
and to measure, according to time, the pressure as well as the volume of the liquid injected in the measuring
cell of the probe.
The pressurizing device of the CU shall enable to:
— reach a pressure of at least 1,5 MPa;
— keep constant the pressure in the measuring cell during the stages of the test;
— set and apply a pressure increment in less than 20 s.
NOTE A pressure-volume control unit such as that used for the Ménard pressuremeter test (see ISO 22476-4) is
appropriate. In that case, only the liquid circuit of the central measuring cell of this unit is used.
4.4.3 Regulation system of the traction speed of the probe
The regulation system is intended to obtain and to keep constant the rate of displacement of the pulling rods
and the connected probe during the stages of shearing. The displacement is measured by comparison to a
fixed reference mark.
4.5 Means of measurement and control
4.5.1 Time
The means used shall allow a measurement of time with an uncertainty lower than 2 s.
4.5.2 Pressure, volume and pulling force
The maximum uncertainties of the measuring instruments of pressure, of the volume and of the pulling
force shall not exceed the values indicated in Annex F.
4.5.3 Axial displacement
The means used to measure the axial displacement shall allow a measurement of displacement with an
uncertainty not exceeding the value indicated in Annex F.
4.5.4 Display of readings
On the site, the operators shall be able to have simultaneous real-time visualisation or display of the following
measured readings: time, pressure, volume of the injected liquid in the measuring cell, shear displacement
and pulling force.
4.5.5 Dimensions of the shearing zone of the probe
The external diameter d of the shearing zone of the probe is measured with a slide caliper at least at each
s
calibration of the probe (see B.2.2), within a tolerance of 0,1 mm. The length l of the shearing zone of the
s
probe and the dimensions of its annular teeth are defined in Table A.1.
5 Test procedure
The following operations shall be successively carried out, according to the flow chart shown in Figure 4.
In Figure 4:
— a pressure hold corresponds to a step during when the pressure p is maintained constant;
r
— a loading stage corresponds to a stage where the pressure in the probe is set and regulated to a given
value as defined in 5.4 and Table 2 during the loading phase;
— a loading phase corresponds to the successive loading stages and pressure holds applied either during
the teeth insertion phase or during the shearing phases;
— a shearing stage corresponds to the stage of pulling up the inflated phicometer probe at a constant speed
of 2 mm/min, under a constant pressure during the shearing phase;
— the shearing phase corresponds to the successive application of the shearing stages as defined in Table 2
in function of p and p .
lM h
5.1 Checks and measurements before insertion of the probe in the ground
Before inserting the probe into the borehole, the calibrations and controls of correct operation described in
Annex B shall have been carried out.
The level of water or drilling mud in the borehole is recorded right before the insertion of the probe.
5.2 Borehole drilling phase, probe placing phase and zero setting
To carry out a borehole shear test with the phicometer procedure, it is necessary to create a cylindrical test
pocket, by performing a preliminary drilled phicometer borehole descending below the test level.
The drilling techniques of the phicometer borehole for the installation of the phicometer probe shall meet
the specifications of Annex C.
The choice between the different drilling techniques and tools is made according to the soil type, in order to
achieve a cylindrical test zone on the borehole wall with minimum disturbance and create the phicometer
test pocket. The direct driving of the phicometer probe into the soil is not allowed.
The distance between the top of the phicometer borehole and the centre of the phicometer test pocket (i.e.
the center of the shearing zone of the phicometer probe) shall not be less than 1,0 m.
The drilling above the phicometer borehole can be carried out in a diameter greater or equal to the
phicometer borehole diameter.
In most cases, it remains necessary to support the borehole walls by using drilling mud and/or by placing
a casing.
In the case where two successive close tests are to be carried out in the same borehole (see 5.3), the depth
of the bottom of the phicometer borehole for the first test shall not exceed the depth of the first test by more
than 0,8 m, to avoid any disturbance of the second test pocket zone.
The diameter of the test pocket d shall be:
t
62 mm ≤ d ≤ 65 mm
t
The test elevation or the depth of test z corresponds to the middle of the shearing zone of the probe (at the
s
moment of the installation).
Once the probe has been lowered to the level of the test, it is essential to check that the system slides in
the borehole and to take into account the forces due to the weight of the drill string and the probe and the
parasitic forces due to possible friction on the borehole walls.
To this end, the drill string and the attached probe are lifted and raised by a few centimetres in order to
suspend the probe and the drill string and follow the variation of the corresponding necessary raising force.
This force shall stabilize between 1 cm and 5 cm of uplift and correspond roughly to the theoretical weight
of the hanged rods and the probe.
This raising force T is noted. It is then taken as the origin value for the measuring of the effort of pulling.
NOTE 1 This origin value can also be reset to zero in order to read the neat effort of pulling acting on the probe.
NOTE 2 In order to minimize in the measurements, the part of the parasitic force on the pulling rods, the pulling
force measuring device can be placed in the borehole on the top of the probe.
The liquid pressure in the control unit (CU) is set to zero before the beginning of the test.
5.3 Minimum spacing between tests
The distance between two consecutive tests in a same borehole shall not be less than 1,2 m. The distance
between two phicometer boreholes shall not be less than 20 times the initial borehole diameter.
Key
① borehole drilling and probe placing phases
② teeth insertion phase
③ shearing phase
Figure 4 — Flow chart and phases of the PBST test
5.4 Teeth insertion phase
After the insertion of the probe in the ground (see 5.2), the probe is inflated by successive loading stages
during which the pressure p is kept constant to ensure the insertion of the annular teeth into the soil on the
r
borehole wall.
The pressure p is increased gradually by pressure increments Δp, as follows:
r
— Δp = 50 kPa for poorly to fairly consistent soils with a Ménard pressuremeter limit pressure p ranging
lM
between 0,4 MPa and 1,0 MPa;
— Δp = 100 kPa for consistent and compact soils with a Ménard pressuremeter limit pressure p higher
lM
than or equal to 1,0 MPa;
NOTE In the case where the Ménard limit pressure values of the soils are not available, Annex E provides
correlations to estimate p from other common soil resistance parameters. These correlations are given only for
lM
information and to allow the use of this document.
The pressure is maintained constant at each loading stage for a Δt duration of 60 s.
p
At each stage, the applied pressure p is noted as well as the volume injected into the measuring cell at the
r
following times: t = 30 s (V ) and t = 60 s (V ) and the volume difference (V − V ).
30 60 60 30
The pressure p applied to the level of the probe is conventionally given by:
z
p = p + p
z r h
where p is calculated, as appropriate (see Figure 5), by the following formulae:
h
— If the test level is located above the level of water or mud in the borehole (z and z < z ):
w e s
p = (z − z ). γ
h c s l
— If the test level is located below the level of water or mud in the borehole (z or z > z ):
w e s
p = (z − z ). γ or p = (z − z ). γ
h c e l h c w l
The specific weight of water or mud γ is taken conventionally equal to 10 kN/m and z is conventionally
l e
defined by:
z = (z − z ) / 2
e ei ef
where z and z are respectively the initial and final levels of water or mud measured in the borehole before
ei ef
the beginning and after the end of the test, the probe being extracted.
At each pressure hold, the curve representing the volume V as a function of p is drawn progressively on
60 z
the test sheet (see Table 3) and is compared with the calibration pressure loss curve of the probe V(p ), in
e
accordance with Annex B.
Key
1 ground surface level 4 ground water table level p pressure read on the control unit
r
2 PBST probe 5 level of water or mud in the p pressure in the probe (p = p + p )
z z r h
borehole
3 liquid pressure reading 6 elevation
device
Figure 5 — Location of the probe and the liquid pressure reading device and definition of levels
during a test
In order to ensure beforehand that the probe comes into contact with the borehole wall, it is necessary
during this expansion phase that the pressure in the probe p be at least 50 kPa higher than the pressure
z
loss p given for the same volume by the pressure loss calibration curve of the probe.
e
Once this criterion is reached, the teeth insertion phase is continued until obtaining one of the following
criteria:
— the volume V of the probe is at least 200 cm ; or
— the read pressure has reached 600 kPa; or
— the beginning of the creep of the soil. This beginning of creep can be detected by the variation of
volume between 30 s and 60 s when it reaches 6 cm and 1,5 times the same variation measured in the
p
...
Norme
internationale
ISO 22476-16
Première édition
Reconnaissance et essais
2024-10
géotechniques — Essais en place —
Partie 16:
Essai de cisaillement en forage
Geotechnical investigation and testing — Field testing —
Part 16: Borehole shear test
Numéro de référence
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publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
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Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
Web: www.iso.org
Publié en Suisse
ii
Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes, définitions et symboles . 2
3.1 Termes et définitions .2
3.2 Symboles .3
4 Appareillage . 4
4.1 Généralités .4
4.2 Sonde de phicomètre .7
4.3 Tubulure de raccordement et tiges de traction .7
4.3.1 Tubulure de raccordement.7
4.3.2 Tiges de traction .7
4.4 Appareillage placé à la surface du terrain .9
4.4.1 Dispositif de traction .9
4.4.2 Contrôleur pression-volume (CPV) .9
4.4.3 Système de régulation de la vitesse de traction de la sonde .10
4.5 Dispositifs de mesure et de commande .10
4.5.1 Temps.10
4.5.2 Pression, volume et force de traction .10
4.5.3 Déplacement axial .10
4.5.4 Affichage des relevés .10
4.5.5 Dimensions de la zone de cisaillement de la sonde . .10
5 Procédure d'essai . 10
5.1 Contrôles et mesures avant insertion de la sonde dans le sol .10
5.2 Phase de forage, phase de mise en place de la sonde et réglage du zéro.11
5.3 Espacement minimal entre deux essais . 12
5.4 Phase d'insertion des dents .14
5.5 Phase de cisaillement .16
5.5.1 Programme de chargement — Paliers de pression appliqués à la sonde .16
5.5.2 Étapes successives de cisaillement sous les différents paliers de pression .16
5.5.3 Fin de l'essai .17
6 Remblaiement du forage pour le phicomètre . 17
7 Exigences de sécurité . 17
8 Résultats des essais .18
8.1 Généralités .18
8.2 Courbe graphique du cisaillement – paramètres de résistance au cisaillement φ et c .18
i i
8.3 Graphiques associés .18
8.4 Ajustement et détermination de l'angle de frottement in situ φ au phicomètre et de la
i
cohésion in situ c .18
i
8.5 Exemples d'ajustement et de détermination de l'angle de frottement in situ φ et de la
i
cohésion in situ c .19
i
9 Rapports .20
9.1 Généralités . 20
9.2 Rapport de terrain . 20
9.3 Rapport d'essai . 23
9.4 Registre des essais .24
Annexe A (normative) Caractéristiques de la sonde du phicomètre.25
Annexe B (normative) Étalonnage, vérifications et corrections .26
iii
Annexe C (normative) Exécution du forage pour l'essai de cisaillement en forage selon la
procédure du phicomètre (PBST).31
Annexe D (normative) Détermination des paramètres de résistance au cisaillement .33
Annexe E (informative) Corrélations permettant d'estimer p à partir des autres paramètres
lM
de résistance du sol q et N .35
c
Annexe F (normative) Exactitude et incertitudes .36
Annexe G (informative) Exemples d'ajustement et de détermination de l'angle de frottement in
situ φ au phicomètre et de la cohésion in situ c .38
i i
Annexe H (informative) Exemple d'installation d'appareillage PBST .43
Bibliographie .44
iv
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux
de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général
confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire
partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a
été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir
www.iso.org/directives).
L’ISO attire l’attention sur le fait que la mise en application du présent document peut entraîner l’utilisation
d’un ou de plusieurs brevets. L’ISO ne prend pas position quant à la preuve, à la validité et à l’applicabilité de
tout droit de brevet revendiqué à cet égard. À la date de publication du présent document, l’ISO n'avait pas
reçu notification qu’un ou plusieurs brevets pouvaient être nécessaires à sa mise en application. Toutefois,
il y a lieu d’avertir les responsables de la mise en application du présent document que des informations
plus récentes sont susceptibles de figurer dans la base de données de brevets, disponible à l'adresse
www.iso.org/brevets. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir identifié tout ou partie de
tels droits de propriété.
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données pour
information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion de
l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles techniques au
commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 182, Géotechnique, en collaboration avec le
comité technique CEN/TC 341, Reconnaissance et essais géotechniques, du Comité européen de normalisation
(CEN), conformément à l'Accord de coopération technique entre l'ISO et le CEN (Accord de Vienne).
Une liste de toutes les parties de la série ISO 22476 se trouve sur le site web de l'ISO.
Il convient que l’utilisateur adresse tout retour d’information ou toute question concernant le présent
document à l’organisme national de normalisation de son pays. Une liste exhaustive desdits organismes se
trouve à l’adresse www.iso.org/fr/members.html.
v
Introduction
La détermination de la résistance au cisaillement des sols est d'une importance capitale dans la
reconnaissance géotechnique et les essais des sols. La résistance au cisaillement des sols et des matériaux,
caractérisée par l'angle de frottement φ et la cohésion c, représente un paramètre important pour l'ingénieur
géotechnicien lorsqu'il étudie la stabilité des ouvrages de construction et des structures en relation avec
les sols et les matériaux. En règle générale, cette résistance est mesurée en laboratoire au moyen d'essais
triaxiaux ou d'essais de cisaillement directs réalisés sur des échantillons de terrain, uniquement à la
condition que l'échantillonnage, la conservation et la préparation permettent de considérer les échantillons
comme non remaniés et suffisamment représentatifs du sol en place.
Depuis les années 1960, divers dispositifs expérimentaux ont été conçus et développés pour déterminer
la résistance au cisaillement directement in situ à partir d'essais effectués dans des trous de forage, dans
différents sols et à différentes profondeurs.
L'examen de la bibliographie montre que la majorité des essais de cisaillement en forage existants reposent
sur l'utilisation de sondes pour appliquer et maintenir une pression normale sur les parois du forage, pour
réaliser ensuite une phase de cisaillement par un déplacement linéaire de la sonde sur le sol contre les parois
du forage. Cette procédure est ensuite répétée par une augmentation en plusieurs étapes de la pression
normale pour obtenir davantage de valeurs mettant en relation la pression normale et la résistance au
cisaillement.
Les équipements et appareillages d'essai diffèrent les uns des autres par la géométrie et la taille des sondes
et par la forme de la partie frottement de ces sondes, ainsi que par la procédure d'application des phases de
pression normale et des phases de cisaillement.
L'un des premiers dispositifs de ce type est le «Borehole Shear Tester» (BST) de l'Iowa, développé aux
[13]
États-Unis . L'essai est réalisé en plaçant dans un trou de forage préforé une sonde expansible bilatérale,
équipée de deux plaques de cisaillement diamétralement opposées, en plaquant la sonde contre la paroi du
trou de forage et en provoquant une rupture par cisaillement dans le sol en tirant la sonde axialement le
long du trou de forage. La taille des plaques de cisaillement est relativement petite (32,3 cm ) et ne permet
pas de faire des essais sur des sols comportant des éléments grossiers, ce qui peut parfois limiter son champ
d'application.
[15]
Au début des années 1970, H. MORI , au Japon, a développé un dispositif de cisaillement in situ appelé IST,
qui a été utilisé dans de nombreux projets. Le principe de l'essai consiste à générer une force de cisaillement
en tirant vers le haut une sonde cylindrique expansible munie de dents enfoncées dans la paroi du trou de
forage. Mais il n'est pas sûr que l'essai IST soit encore pratiqué à l'heure actuelle.
[14]
Un essai de frottement in situ avec dispositif autoforeur (SBIFT), également développé au Japon , a
permis d'évaluer les caractéristiques du sol comme la pression horizontale initiale au repos, le module de
déformation et les caractéristiques de résistance (cohésion et angle de frottement interne) du sol. L'essai
SBIFT possède une fonctionnalité d'autoforage qui permet de réduire le remaniement du sol soumis à essai.
Cependant, très peu de données et de résultats sont disponibles pour valider actuellement ce dispositif et les
caractéristiques de sol qu'il fournit.
De la même manière que le SBIFT, un pressiomètre de mesure du cisaillement in situ avec dispositif
[12]
autoforant (SBISP) a été récemment développé en Chine . Il permet d'évaluer les caractéristiques
pressiométriques comme la pression horizontale initiale au repos, la pression et le module de déformation,
ainsi que les caractéristiques de résistance (cohésion et angle de frottement interne) du sol. L'essai SBISP
possède une fonctionnalité d'autoforage qui permet de réduire fortement le remaniement du sol soumis à
essai. Cependant, très peu de données et de résultats sont disponibles pour valider actuellement ce dispositif
et les caractéristiques de sol qu'il fournit.
Le présent document s'applique à l'essai de cisaillement en forage selon la procédure du phicomètre, désignée
par l'abréviation anglo-saxonne PBST (Phicometer Borehole Shear Test). Cet essai a été inventé et mis au
[10]
point par Gérard Philipponnat dans les années 1980 .
Cet essai a fait l'objet, entre 1986 et 1992, de plusieurs programmes de recherche appliquée pour concevoir
l'appareillage et ses composants et pour développer et optimiser une procédure d'essai commune utilisable
vi
dans une majorité de sols. Divers articles ont été publiés à la suite de ces recherches et depuis lors, des essais
PBST continuent d'être effectués à ce jour, pour déterminer les paramètres de résistance au cisaillement
à partir de l'essai et pour en déduire des valeurs de résistance au cisaillement des sols non drainés et une
[9]
estimation des paramètres de résistance au cisaillement effective des sols drainés . Cet essai est normalisé
en France depuis 1997.
L'essai de cisaillement en forage selon la procédure du phicomètre se compose de quatre étapes consistant
à forer un trou, à descendre la sonde à la profondeur d'essai, à la gonfler contre la paroi du trou et à
provoquer un cisaillement du sol en appliquant une série de paliers de pression radiale contrôlée, tout en
tirant simultanément sur la sonde avec une vitesse de déplacement constante. Les séquences de l'essai sont
représentées à la Figure 1.
a) Phase de forage: b) Phase de mise en c) Phase d'insertion des d) Phase de cisaillement:
forage d'un trou pour place de la sonde: des- dents: dilatation radiale traction de la sonde
phicomètre avec tubage cente de la sonde dégon- de la sonde et insertion dilatée avec une pres-
(si nécessaire) et mise en flée jusqu'à la profon- des dents en anneaux sion radiale constante à
place de la cavité d'essai deur de la cavité d'essai dans la paroi du trou de chacune des étapes
PBST au fond du trou de forage
forage
Légende
1 surface du terrain 4 tubage (si nécessaire) 7 sonde (à l'état gonflé)
2 terrain 5 train de tiges 8 pression radiale
3 trou de forage 6 sonde (à l'état dégonflé) 9 force de traction
S surface de cisaillement cylindrique
Figure 1 — Disposition générale et phases de l'essai de cisaillement en forage selon la procédure du
phicomètre
vii
Norme internationale ISO 22476-16:2024(fr)
Reconnaissance et essais géotechniques — Essais en place —
Partie 16:
Essai de cisaillement en forage
1 Domaine d'application
Le présent document est applicable à l'essai de cisaillement en forage selon la procédure du phicomètre,
couramment appelé essai au phicomètre (dont l'étymologie vient de phi (φ) qui désigne l'angle de frottement,
co qui désigne la cohésion et mètre pour faire référence à une mesure).
L'essai peut être effectué dans tous les types de sols naturels, de remblais et de sols artificiels, pouvant être
saturés ou non.
Il ne s'applique pas aux sols fins très mous, aux sols grossiers très lâches, aux roches moyennement
résistantes à très résistantes ni aux sols naturels ou artificiels avec une prédominance de cailloux dont la
granulométrie est supérieure à 150 mm.
En règle générale, l'essai est applicable aux sols dont les caractéristiques de résistance in situ sont de l'un
des ordres de grandeur donnés ci-après:
— Pression limite pressiométrique Ménard: 0,4 MPa < p < 3,5 MPa environ, ou supérieure à 4 MPa dans
lM
des sols granulaires non cohésifs;
— Mesure de la résistance au cône par essai de pénétration (CPT): 1,5 MPa < qc < 15 MPa environ, en
fonction du type de sol (voir Annexe E);
— SPT N: 8 < N < 50 environ, en fonction du type de sol (voir Annexe E).
L'essai peut également être effectué dans des sols dont la résistance se situe en dehors de ces limites
d'application à condition d'évaluer ou de valider la représentativité des résultats par l'analyse des graphiques
PBST (voir Article 8).
Le présent document s'applique uniquement aux essais réalisés à une profondeur inférieure ou égale à 30 m.
Les paramètres déduits de cet essai sont les propriétés de résistance au cisaillement, à savoir la cohésion et
l'angle de frottement.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu'ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l'édition citée s'applique. Pour
les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO 10012, Systèmes de management de la mesure — Exigences pour les processus et les équipements de mesure
ISO 22475-1, Reconnaissance et essais géotechniques — Méthodes de prélèvement et mesurages piézométriques
— Partie 1: Principes techniques pour le prélèvement des sols, des roches et des eaux souterraines
3 Termes, définitions et symboles
3.1 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions suivants s'appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en normalisation,
consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse https:// www .electropedia .org/
3.1.1
essai de cisaillement en forage
processus par lequel une sonde de cisaillement spéciale est insérée à l'intérieur d'un trou de forage à une
profondeur définie, gonflée contre la paroi du forage, puis tirée pour déterminer la force de cisaillement du
sol qui en résulte
Note 1 à l'article: Ce processus est répété selon une succession de paliers croissants de la pression normale maintenue
afin d'obtenir une relation entre la pression et la contrainte de cisaillement du sol.
3.1.2
essai de cisaillement en forage selon la procédure du phicomètre
PBST
essai de cisaillement pratiqué dans un trou de forage pour phicomètre (voir 3.1.4) avec la sonde du phicomètre
(voir 3.1.6), selon la procédure d'essai au phicomètre
Note 1 à l'article: Pour la procédure d'essai au phicomètre, voir l'Article 5.
3.1.3
phicomètre
appareil utilisé pour réaliser un essai de cisaillement en forage selon la procédure du phicomètre (3.1.2)
3.1.4
trou de forage pour phicomètre
partie d'un trou de forage dans laquelle la cavité d'essai au phicomètre (3.1.5) doit être réalisée
Note 1 à l'article: Voir le 5.2.
3.1.5
cavité d'essai au phicomètre
cavité cylindrique de section circulaire réalisée dans un trou de forage, dans laquelle la sonde du phicomètre
(3.1.6) est placée, mise en contact et tirée vers le haut pendant les phases d'essai
3.1.6
sonde de phicomètre
sonde cylindrique expansible munie de dents annulaires de cisaillement, utilisée pour réaliser un essai de
cisaillement en forage selon la procédure du phicomètre (3.1.2)
Note 1 à l'article: Voir le 4.2 et la Figure 3.
3.1.7
diagramme d'essai au phicomètre
ensemble des graphiques tracés à partir de l'essai PBST (3.1.2), permettant de déterminer les caractéristiques
de cisaillement du sol
Note 1 à l'article: Voir l'Article 8 et la Figure 6.
3.1.8
cohésion au phicomètre
cohésion in situ c obtenue à partir du diagramme d'essai au phicomètre (3.1.7)
i
3.1.9
angle de frottement au phicomètre
angle de frottement in situ φ obtenu à partir du diagramme d'essai au phicomètre (3.1.7)
i
3.1.10
profondeur de l'essai
distance entre le niveau du terrain naturel et le milieu de la zone de cisaillement de la sonde du phicomètre
mesurée le long de l'axe du trou de forage
3.1.11
opérateur
technicien formé à la réalisation des essais PBST conformément au présent document
3.2 Symboles
Pour les besoins du présent document, les symboles donnés dans le Tableau 1 s'appliquent.
Tableau 1 — Symboles
Symbole Description Unité
T Force de traction exercée sur la sonde kN
T Force de traction maximale kN
l
V Volume injecté dans la cellule de mesure de la sonde, lue sur le cm
contrôleur
V Volume injecté dans la cellule de mesure de la sonde au début de cm
d
l'application de la force de traction (V = V )
d 60
V Volume injecté dans la cellule de mesure de la sonde à la fin de cm
f
l'application de la force de traction
V Volume injecté dans la cellule de mesure de la sonde après 30 s cm
sous une phase à pression constante
V Volume injecté dans la cellule de mesure de la sonde après 60 s cm
sous une phase à pression constante
d Diamètre initial de la sonde au repos dans la zone de cisaillement mm
s0
(voir Figure 3)
c Cohésion au phicomètre mesurée in situ par l'essai PBST kPa
i
d Diamètre de la sonde dans la zone de cisaillement après injection mm
s
d'un volume V (voir Figure 3)
d Diamètre de la cavité au niveau de l'essai mm
t
d Diamètre extérieur de la cellule de mesure de la sonde mm
c
l Longueur des fentes du tube de cisaillement expansible mm
t
l Distance entre les anneaux de la cellule de mesure de la sonde mm
c
l Longueur conventionnelle de la zone de cisaillement (voir mm
s
Figure 3)
N Nombre de coups de battage d'un essai de pénétration au carottier -
standard (SPT) (voir ISO 22476-3)
p Pression radiale conventionnelle appliquée au terrain après cor- kPa
c
rections
p Résistance propre due à la rigidité de la sonde, déterminée par kPa
e
étalonnage
p Pression due à la colonne de liquide d'injection dans la sonde kPa
h
(entre z et z )
c s
p Pression limite pressiométrique Ménard (voir ISO 22476-4) MPa
IM
p Pression du liquide injecté dans la cellule de mesure du phico- kPa
r
mètre, lue au niveau z du contrôleur pression-volume (CPV)
c
TTaabblleeaauu 11 ((ssuuiitte)e)
Symbole Description Unité
p Pression du liquide au centre de la cellule de mesure kPa
z
q Résistance à la pénétration au cône (voir ISO 22476-1 ou MPa
c
ISO 22476-12)
t Temps s
v Vitesse de déplacement axial de la sonde pendant la phase de trac- mm/min
tion
z Cote altimétrique, augmentant vers le haut m
z Cote altimétrique du niveau de la surface du terrain naturel à m
l'emplacement de l'essai
z Cote altimétrique du dispositif de mesure de la pression du liquide m
c
injecté dans la cellule de mesure du phicomètre
z Cote altimétrique du fluide de forage dans le trou de forage m
e
z Niveau initial d'eau ou de boue mesuré dans le trou de forage avant m
ei
le début de l'essai
z Niveau final d'eau ou de boue mesuré dans le trou de forage après m
ef
la fin de l'essai
z Cote altimétrique du centre de la zone de cisaillement de la sonde m
s
du phicomètre au début de l'essai
z Cote altimétrique du niveau de la nappe phréatique (ou du plan m
w
d'eau en site aquatique)
γ Poids volumique du liquide injecté dans la cellule de mesure kN/m
l
γ Poids volumique de l'eau kN/m
w
Δl Déplacement axial de la sonde pendant le cisaillement mm
Δp Incrément de la pression de chargement kPa
Δt Durée d'un palier de pression lors d'une étape de mise en charge s
Δt Durée d'un palier de pression de chargement pendant la phase s
p
préliminaire
ΔV Variation du volume injecté entre 30 s et 60 s au cours d'un même cm
palier de pression
φ Angle de frottement au phicomètre mesuré in situ par l'essai de °
i
cisaillement en forage selon la procédure du phicomètre
τ Contrainte de cisaillement kPa
τ Contrainte de cisaillement limite conventionnelle kPa
l
4 Appareillage
4.1 Généralités
L'appareillage permettant de réaliser des essais de cisaillement en forage selon la procédure du phicomètre
doit comprendre les éléments suivants:
— une sonde de phicomètre;
— un contrôleur pression-volume (CPV);
— une tubulure reliant la sonde au CPV;
— un dispositif de traction placé sur une embase de réaction à la surface du terrain et relié à la sonde par
des tiges de traction;
— un dispositif permettant de réguler la vitesse de déplacement axial pendant le cisaillement;
— des moyens de mesure et d'affichage de la pression, du volume, de la force de traction, du déplacement
axial et du diamètre extérieur de la zone de cisaillement de la sonde.
L'équipement peut également comporter un enregistreur de données.
Un ensemble de dispositif d'essai de cisaillement en forage selon la procédure du phicomètre (PBST) est
représenté à la Figure 2.
Une illustration d'un exemple d'installation d'appareillage PBST est fournie à l'Annexe H.
Légende
1 trou de forage 3 train de tiges 5 tubage du forage (si nécessaire)
2 sonde de phicomètre 4 tubulure 6 embase de réaction
2a tube fendu expansible 2c zone de cisaillement provoquée
par les dents de la sonde
2b dents en anneaux 2d cellule de mesure gonflable
A enregistreur de données (facultatif) B2 mesure de volume C2 dispositif de traction avec
chronomètre
B contrôleur pression-volume (CPV) B3 affichage des relevés D contrôle du déplacement axial
B1 régulateur de pression et dispositif C1 mesure de la force de traction
d'injection
Figure 2 — Schéma de l'ensemble du dispositif d'essai PBST et de ses composants
4.2 Sonde de phicomètre
La sonde du phicomètre est représentée à la Figure 3. Elle se compose d'un dispositif fendu en acier,
appelé «tube de cisaillement fendu expansible», dans lequel est placée une cellule cylindrique expansible
radialement, appelée «cellule de mesure».
Le tube de cisaillement fendu expansible est un cylindre creux en acier relié de façon rigide aux tiges de
traction pour assurer son fonctionnement et transmettre la force de traction à la sonde depuis la surface du
sol. Il est conçu en différentes parties comportant:
— une zone centrale de cisaillement, composée de six plaques rigides initialement assemblées parallèlement
à l'axe de la sonde et comprenant dix dents annulaires, régulièrement espacées verticalement;
— deux zones de garde, constituées de bandes métalliques faisant office de ressort;
— une cellule de mesure gonflable placée au niveau de la zone centrale de cisaillement à l'intérieur du tube
de cisaillement fendu expansible et composée d'une âme en acier, d'une membrane souple déformable et
d'un tube d'injection de liquide servant à gonfler cette cellule et à mesurer son volume.
La sonde doit présenter les caractéristiques données à l'Annexe A. Il existe deux types de membranes souples
déformables en caoutchouc:
— une membrane standard;
— une membrane renforcée.
La membrane standard est utilisée pour tous les types de sols.
La membrane renforcée est exclusivement utilisée pour les sols agressifs où il arrive fréquemment que la
sonde de la cellule soit endommagée ou éclate.
4.3 Tubulure de raccordement et tiges de traction
4.3.1 Tubulure de raccordement
La tubulure flexible reliant le contrôleur pression-volume à la sonde sert à injecter le fluide dans la cellule
de mesure.
Le coefficient de dilatation de cette tubulure doit être inférieur à 0,1 cm /MPa par mètre de tubulure.
4.3.2 Tiges de traction
Un train de tiges en acier relie la sonde à l'appareillage placé à la surface du terrain. La résistance de ce train
de tiges doit supporter les efforts et les contraintes générés par l'essai durant toutes ses phases.
L'allongement du train de tiges doit rester inférieur à 0,05 % de sa longueur totale.
La section des tiges et de leurs accessoires doit permettre le libre coulissement du train de tiges dans le trou
de forage.
La partie des tiges de traction située au-dessus de la surface du terrain est filetée sur toute sa longueur, afin
de permettre le réglage du système de verrouillage du train de tiges sur le dispositif de traction (voir 4.4.1).
Légende
1 tube de cisaillement fendu expansible 4 tubulure pour injection de liquide 9 dents annulaires de la zone de
cisaillement
2 âme en acier de la cellule de mesure 5 purge
gonflable, placée entre deux cylindres
6 bagues pour le serrage de la 10 système d'accouplement tiges-
d'espacement
membrane sonde
7 jonctions 11 zone de cisaillement de la sonde
3 membrane de la cellule de mesure 8 liquide pour le gonflage de la 12 zones de garde de la sonde
membrane
NOTE Les symboles de la Figure 3 sont définis dans le Tableau A.1.
Figure 3 — Sonde du phicomètre
4.4 Appareillage placé à la surface du terrain
L'appareillage comprend:
— un dispositif de traction;
— un contrôleur pression-volume (CPV) permettant la mise en pression et la dilatation de la sonde;
— un système de régulation permettant de contrôler la vitesse de traction de la sonde.
4.4.1 Dispositif de traction
Le dispositif de traction comprend:
— une embase de réaction, avec des plaques facultatives, pour la répartition des charges sur la surface du
terrain;
— un vérin à cylindre creux avec un diamètre de trou permettant à l'extrémité supérieure du train de tiges
de traction de passer librement et de tendre axialement le train de tiges et la sonde raccordée;
— un dispositif permettant de verrouiller l'extrémité supérieure du train de tiges de traction au-dessus du
vérin à cylindre creux;
— un dispositif permettant de mesurer la force de traction. Ce dispositif placé entre la sonde et le système
de verrouillage peut se trouver à la surface du terrain ou dans le trou de forage.
4.4.2 Contrôleur pression-volume (CPV)
Placé à la surface du terrain, le contrôleur pression-volume assure la dilatation de la sonde et permet de
mesurer, en fonction du temps, la pression et le volume du liquide injecté dans la cellule de mesure de la sonde.
Le dispositif de mise sous pression du CPV doit permettre:
— d'atteindre une pression d'au moins 1,5 MPa;
— de maintenir la pression à une valeur constante dans la cellule de mesure pendant les différentes phases
de l'essai;
— de définir et d'appliquer un incrément de pression en moins de 20 s.
NOTE Un contrôleur pression-volume tel que celui qui est utilisé pour l'essai au pressiomètre Ménard (voir
ISO 22476-4) est approprié. Dans ce cas, seul le circuit de liquide de la cellule de mesure centrale du contrôleur est
utilisé.
4.4.3 Système de régulation de la vitesse de traction de la sonde
Le système de régulation est destiné à obtenir et à maintenir constante la vitesse de déplacement des tiges
de traction et de la sonde raccordée pendant les différentes phases de cisaillement. Le déplacement est
mesuré par comparaison avec un repère fixe.
4.5 Dispositifs de mesure et de commande
4.5.1 Temps
Les dispositifs utilisés doivent permettre une mesure du temps avec une incertitude inférieure à 2 s.
4.5.2 Pression, volume et force de traction
Les incertitudes maximales des instruments de mesure de la pression, du volume et de la force de traction
ne doivent pas dépasser les valeurs indiquées à l'Annexe F.
4.5.3 Déplacement axial
Les dispositifs de mesure du déplacement axial doivent permettre de mesurer le déplacement avec une
incertitude qui ne dépasse pas la valeur indiquée à l'Annexe F.
4.5.4 Affichage des relevés
Sur le site, les opérateurs doivent pouvoir disposer d'une visualisation ou d'un affichage simultané en temps
réel des mesures suivantes: temps, pression, volume du liquide injecté dans la cellule de mesure, déplacement
en cisaillement et force de traction.
4.5.5 Dimensions de la zone de cisaillement de la sonde
Le diamètre extérieur d de la zone de cisaillement de la sonde est mesuré à l'aide d'un pied à coulisse au
s
moins à chaque étalonnage de la sonde (voir B.2.2), avec une tolérance de 0,1 mm. La longueur l de la zone
s
de cisaillement de la sonde et les dimensions de ses dents en anneaux sont définies dans le Tableau A.1.
5 Procédure d'essai
Les opérations suivantes doivent être effectuées successivement, selon l'organigramme présenté à la
Figure 4.
À la Figure 4:
— un palier de pression correspond à une étape pendant laquelle la pression p est maintenue constante;
r
— une étape de mise en charge correspond à une étape pendant laquelle la pression dans la sonde est fixée et
régulée à une valeur donnée telle que définie au 5.4 et dans le Tableau 2 pendant la phase de mise en charge;
— une phase de mise en charge correspond aux étapes de mise en charge successives et aux paliers de
pression appliqués pendant la phase d'insertion des dents ou pendant les phases de cisaillement;
— une étape de cisaillement correspond à l'étape de traction de la sonde du phicomètre gonflée à une vitesse
constante de 2 mm/min, sous une pression constante pendant la phase de cisaillement;
— la phase de cisaillement correspond à l'application successive des étapes de cisaillement définies dans le
Tableau 2 en fonction de p et p .
lM h
5.1 Contrôles et mesures avant insertion de la sonde dans le sol
Avant d'insérer la sonde dans le trou de forage, les étalonnages et les contrôles de bon fonctionnement
décrits à l'Annexe B doivent avoir été effectués.
Le niveau d'eau ou de boue de forage dans le trou de forage est relevé juste avant l'insertion de la sonde.
5.2 Phase de forage, phase de mise en place de la sonde et réglage du zéro
Pour réaliser un essai de cisaillement en forage selon la procédure du phicomètre, il est nécessaire de créer
une cavité d'essai cylindrique, en réalisant un trou de forage pour phicomètre préliminaire, descendant au-
dessous du niveau d'essai.
Les techniques de forage du trou de forage pour phicomètre en vue de l'installation de la sonde du phicomètre
doivent être conformes aux spécifications de l'Annexe C.
Le choix parmi les différentes techniques et outils de forage se fait en fonction du type de sol, afin d'obtenir
une zone d'essai cylindrique sur la paroi du trou de forage avec un minimum de remaniement et de créer la
cavité d'essai du phicomètre. Le fonçage direct de la sonde du phicomètre dans le sol est interdit.
La distance entre le sommet du trou de forage pour le phicomètre et le centre de la cavité d'essai au
phicomètre (c'est-à-dire le centre de la zone de cisaillement de la sonde du phicomètre) ne doit pas être
inférieure à 1,0 m.
Le forage au-dessus du trou pour le phicomètre peut être réalisé avec un diamètre supérieur ou égal au
diamètre du trou de forage pour le phicomètre.
Dans la plupart des cas, il demeure nécessaire de soutenir les parois du trou de forage en utilisant de la boue
de forage et/ou en plaçant un tubage.
Si deux essais successifs rapprochés doivent être effectués dans le même trou de forage (voir 5.3), la
profondeur du fond du trou de forage pour phicomètre pour le premier essai ne doit pas dépasser la
profondeur du premier essai de plus de 0,8 m, afin d'éviter tout remaniement de la zone de la cavité du
second essai.
Le diamètre de la cavité d'essai d doit être:
t
62 mm ≤ d ≤ 65 mm
t
La cote altimétrique de l'essai ou la profondeur de l'essai z correspond au centre de la zone de cisaillement
s
de la sonde (au moment de l'installation).
Une fois la sonde descendue au niveau de l'essai, il est essentiel de vérifier que le système coulisse dans le
trou de forage et de prendre en compte les forces dues au poids du train de tiges et de la sonde, ainsi que les
forces parasites dues aux éventuels frottements sur les parois du trou de forage.
À cet effet, le train de tiges et la sonde raccordée sont soulevés et relevés de quelques centimètres afin de
maintenir la sonde et le train de tiges en suspension et de suivre la variation de la force de soulèvement
nécessaire correspondante. Cette force doit se stabiliser entre 1 cm et 5 cm de soulèvement et correspond
approximativement au poids théorique des tiges suspendues et de la sonde.
La force de soulèvement T est notée. Elle sert ensuite de valeur d'origine pour la mesure de l'effort de
traction.
NOTE 1 Cette valeur d'origine peut également être remise à zéro afin de lire l'effort de traction net qui s'exerce sur
la sonde.
NOTE 2 Afin de réduire au minimum la force parasite exercée sur les tiges de traction lors des mesures, le dispositif
de mesure de la force de traction peut être placé dans le trou de forage sur le dessus de la sonde.
La pression du liquide dans le contrôleur (CPV) est mise à zéro avant le début de l'essai.
---------------------- P
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