Pénétromètre statique CPT : qc, fs, Rf et lecture du sol

Un cône d'acier de 10 cm² poussé dans le sol à 2 cm par seconde, sans forage avant : c'est le pénétromètre statique CPT. Sur votre rapport de sol, il laisse trois courbes, qc, fs et Rf, souvent difficiles à lire pour un particulier. Ce guide explique leur sens, comment repérer une couche molle ou un bon appui sur un profil, et pourquoi le CPT complète le pressiomètre au moment de choisir les fondations.

Le CPT enfonce un cône sans forage préalable

Le pénétromètre statique CPT est un essai de sol qui enfonce une pointe conique dans le terrain à vitesse constante, sans forage préalable. Pendant la descente, l'appareil relève en continu la résistance rencontrée par la pointe et le frottement sur un manchon placé juste derrière. Il porte aussi le nom d'essai de pénétration au cône, ou cone penetration test.

Son intérêt tient en quelques points concrets.

• Il dresse une coupe continue du sous-sol, couche par couche, en une seule descente.
• Il repère les terrains mous, les remblais et, avec le piézocône, le niveau de la nappe.
• Il aide à choisir le type de fondation et la profondeur où l'ancrer.
• Il sert au repérage des sables sensibles à la liquéfaction sous séisme.

Le pénétromètre statique appartient à la famille des essais réalisés directement dans le sol pour reconnaître le terrain, aux côtés du pressiomètre et des essais de perméabilité.

Côté matériel, la pointe standard mesure 10 cm² de section, soit environ 36 mm de diamètre. Une pointe de 15 cm² sert dans les sols raides. Pour la pousser, il faut une réaction de 100 à 200 kN, fournie par un camion lesté ou un porteur sur chenilles de 10 à 20 tonnes.

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   Mise en place du porteur

   Le camion ou le chenillard se cale à l'aplomb du point de sondage et sert de masse de réaction.

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   Fonçage du cône

   Un vérin pousse le train de tiges à 2 cm par seconde, sans choc ni rotation, à travers les couches.

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   Mesure en continu

   Deux capteurs distincts enregistrent l'effort sur la pointe et l'effort sur le manchon pendant toute la descente.

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   Tracé du profil

   Les valeurs forment des courbes en fonction de la profondeur, lues comme une coupe du terrain.

La pointe mesure qc, le manchon mesure fs

Pendant le fonçage, l'appareil sépare deux efforts, mesurés à deux endroits de la sonde, puis en calcule un troisième. Ces trois chiffres décrivent la dureté du sol et sa nature.

La résistance de pointe qc

qc correspond à la force encaissée par la pointe du cône, divisée par la surface de sa base. Le q désigne la résistance à la pénétration, le c renvoie au cône. Un sable dense bute fort contre la pointe et qc grimpe. Une argile molle laisse passer le cône presque sans effort et qc reste bas. La valeur s'exprime en mégapascals (MPa), parfois en bars sur les rapports anciens.

Le frottement latéral fs

fs mesure le frottement du sol contre le manchon cylindrique situé juste derrière la pointe, rapporté à la surface de ce manchon. Le f vient de friction, le s de sleeve, le manchon en anglais. Il s'exprime en kilopascals (kPa). Une argile accroche le manchon et fs monte. Un sable propre glisse et fs reste faible.

Le rapport de frottement Rf

Rf est le rapport entre fs et qc, pris à la même profondeur et exprimé en pourcentage. Le calcul impose une unité commune, car 1 MPa vaut 1 000 kPa. Avec fs de 40 kPa et qc de 2 MPa, soit 2 000 kPa, Rf vaut 2 %. Avec fs de 50 kPa et qc de 10 MPa, Rf tombe à 0,5 %, valeur habituelle d'un sol à comportement sableux.

Les repères de 1 % et 3 % restent indicatifs. Rf se lit avec qc, sur l'abaque de Robertson, et ne suffit pas à nommer un sol.

Lire une courbe CPT couche par couche

qc ne se résume pas à un chiffre. Le rapport le présente en courbe le long de la profondeur. Sa forme donne des indices sur les couches traversées, à recouper avec fs, Rf et les sondages du site.

• Une chute brutale signale une couche molle, argile, vase ou tourbe, où la pointe s'enfonce presque sans effort.
• Une remontée nette et durable marque un horizon résistant, sable dense ou grave, candidat pour l'appui des fondations, à valider par le calcul.
• Une courbe en dents de scie évoque souvent un sable ou une alternance de fines couches.
• Un palier bas et régulier accompagne souvent une argile homogène, avec un Rf élevé pour le confirmer.

Le tableau croise les deux mesures pour les grandes familles de sol. Ce sont des ordres de grandeur illustratifs, sans valeur de seuil. Les bornes se chevauchent selon la teneur en eau, la compacité et la profondeur, et aucune ne donne à elle seule la portance d'une fondation.

Un qc faible en surface ne condamne pas le terrain. Une couche molle de 3 m recouvre souvent un sable compact plus bas, et la fondation descend alors chercher cet appui.

Le piézocône CPTu ajoute la pression de l'eau

Le piézocône, noté CPTu, est un pénétromètre statique équipé d'un capteur de pression d'eau. Pendant le fonçage, il mesure la pression de l'eau contenue dans les pores du sol, le plus souvent juste derrière la pointe, en position notée u2.

Cette mesure compte, car l'eau pousse aussi derrière le cône et fausse la lecture de la pointe. La correction qt = qc + (1 - a) × u2, où a est un coefficient propre à la sonde, compense cet effet. Elle pèse surtout dans les argiles molles saturées, où qc est faible et u2 élevé.

• Il repère les passages d'argile saturée, là où le CPT seul donne une image moins nette.
• Il renseigne sur le niveau de la nappe, surtout quand la pression est suivie jusqu'à l'équilibre.
• Avec l'essai de dissipation, le fonçage s'arrête et le capteur suit la baisse de pression dans le temps. Ce temps renseigne sur la consolidation du sol et, par corrélation, sur sa perméabilité.
• Dans les argiles, la résistance nette sert à déduire la cohésion non drainée Cu, avec un facteur empirique calé sur le site.

L'abaque de Robertson interprète le comportement du sol

qc et fs ne disent pas directement si le sol traversé est un sable ou une argile. L'abaque de Robertson les interprète. Il croise la résistance de pointe et le rapport de frottement, puis place le point obtenu dans une zone de comportement de sol. Ces zones se chevauchent à leurs frontières.

Deux versions cohabitent. L'abaque de 1986, proposé par Robertson et Campanella, se base sur qc et Rf, distingue 12 types de sol et se lit en direct pendant l'essai. La version de 1990, mise à jour en 2010, utilise des paramètres normalisés, distingue 9 types et se calcule après l'essai, une fois connus le poids du sol et le niveau d'eau. D'où les écarts de comptage d'un rapport à l'autre.

• qc fort et Rf faible : sol à tendance sableuse ou graveleuse.
• qc faible et Rf élevé : sol à tendance argileuse.
• qc proche de zéro et Rf au plus haut : sol organique, tourbe ou vase.

L'exposé du CFMS sur l'essai de pénétration au cône et ses applications détaille ces abaques, la correction qt et le repérage des sables liquéfiables sous séisme.

Le CPT et le pressiomètre Ménard se complètent

En France, le pressiomètre Ménard et ses deux paramètres EM et pl sont largement utilisés en France pour dimensionner les fondations. Le CPT a pourtant sa place dans le calcul. La norme d'application de l'Eurocode 7 pour les pieux, la NF P 94-262, prévoit une méthode pénétrométrique à côté de la méthode pressiométrique, comme le détaille le guide du Cerema sur les fondations profondes : la résistance sous la pointe du pieu et le frottement le long du fût se calculent à partir de qc.

Sur un même terrain, le géotechnicien combine souvent les deux : le CPT découpe les couches vite et à moindre frais, le pressiomètre vient mesurer la déformation aux profondeurs où se jouent les fondations profondes sur pieux.

Les terrains où le cône bute

Le CPT excelle dans les sols meubles des plaines alluviales, des estuaires et des polders. Ailleurs, il atteint vite ses limites, et le bureau d'études choisit un autre essai.

Dans ces cas, le pénétromètre dynamique, qui avance par battage, ou un forage avec essais pressiométriques prennent le relais.

La norme NF EN ISO 22476-1 encadre l'essai

L'essai au cône électrique et au piézocône suit la norme NF EN ISO 22476-1. Son édition de juin 2023, reprise de l'ISO 22476-1:2022, est en vigueur et remplace celle de mars 2013. Elle fixe l'appareillage, la vitesse de fonçage, les mesures à relever et le contenu du compte rendu. Ce cadre commun rend les essais de deux prestataires plus comparables, à condition de lire sur le compte rendu la classe de l'appareil et son étalonnage.

• NF EN ISO 22476-1 : pointe électrique et piézocône (CPT et CPTu).
• NF EN ISO 22476-12 : pointe mécanique, à mesure discontinue.
• NF EN 1997-2 : Eurocode 7, cadre général de la reconnaissance géotechnique.

Sur un rapport plus ancien, la référence NF P 94-113 désigne la norme française de l'essai de pénétration statique, antérieure aux normes européennes.

Questions fréquentes