Pénétromètre statique CPT : résistance qc et frottement fs

Un cône métallique poussé dans le sol à deux centimètres par seconde, sans aucun forage avant. C'est le pénétromètre statique CPT. Pendant la descente, l'appareil note la résistance du terrain tous les deux centimètres et dresse une coupe continue du sous-sol. On détaille ici ce qu'il mesure (la résistance de pointe qc, le frottement latéral fs), ce qu'ajoute le piézocône CPTu, et comment l'abaque de Robertson traduit ces chiffres en types de sol.

Le pénétromètre statique CPT, définition et utilité

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. On parle aussi 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 la profondeur de la nappe.
• Il aide à choisir le type de fondation et la profondeur où l'ancrer.
• Il sert au repérage des sols 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, le cône mesure 10 ou 15 centimètres carrés de section, soit un diamètre de 36 à 44 millimètres. La pointe avance d'un seul tenant à environ deux centimètres par seconde, poussée par le poids d'un camion ou d'un porteur sur chenilles qui sert d'appui. La machine relève la résistance tous les deux centimètres, ce qui trace un profil détaillé là où un sondage classique ne livre que des points isolés.

Un CPT descend couramment jusqu'à une vingtaine de mètres. La profondeur atteinte dépend de la dureté du sol et du poids du porteur qui sert de réaction.

Le CPT mesure la résistance qc et le frottement fs

Pendant le fonçage, l'appareil sépare deux efforts mesurés à des endroits différents de la pointe, puis en calcule un troisième. Ces trois chiffres servent à reconnaître la nature du sol et sa résistance.

La résistance de pointe qc

qc correspond à la force encaissée par la pointe du cône, divisée par sa surface. Un sable dense pousse fort sur la pointe, qc grimpe. Une argile molle résiste peu, qc reste bas. La valeur s'exprime en mégapascals (MPa).

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. Il s'exprime en kilopascals (kPa). Une argile accroche le manchon, fs monte. Un sable propre glisse, fs reste faible.

Le ratio de frottement Rf

Rf est le rapport entre le frottement fs et la résistance de pointe qc, exprimé en pourcentage. Le calcul donne Rf égal à fs divisé par qc, multiplié par cent. C'est ce ratio qui sépare les sables des argiles. Un sable propre affiche un Rf faible, souvent sous 1 pour cent. Une argile montre un Rf plus élevé.

Le CPTu mesure aussi la pression de l'eau (piézocône)

Le piézocône, noté CPTu, est un pénétromètre statique équipé d'un capteur de pression d'eau. Pendant le fonçage, il mesure la pression interstitielle, le plus souvent juste derrière la pointe (position notée u2). Cette mesure repère la nappe et les couches qui retiennent l'eau.

L'ajout de la pression d'eau affine la lecture du terrain, surtout sous le niveau de la nappe.

• Il repère les passages d'argile saturée, là où le CPT seul donne une image moins nette.
• Il corrige la résistance de pointe, qui devient la résistance corrigée qt.
• Avec l'essai de dissipation, le fonçage s'arrête et on suit la baisse de pression dans le temps pour estimer la perméabilité du sol.
• Il aide au repérage des sols sensibles à la liquéfaction sous séisme.

La classification de Robertson donne le type de sol

qc et fs ne disent pas directement si le sol traversé est un sable ou une argile. L'abaque de Robertson fait la traduction. Il croise la résistance de pointe et le ratio de frottement, puis place le point obtenu dans une zone qui correspond à un comportement de sol.

Deux versions cohabitent. L'abaque de Robertson de 1986 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 (Qt et Fr), distingue 9 types et se calcule après l'essai, une fois connus le poids du sol et le niveau d'eau.

• Résistance de pointe forte avec frottement faible oriente vers un sol à tendance sableuse.
• Résistance de pointe faible avec frottement élevé oriente vers un sol à tendance argileuse.

CPT et pressiomètre Ménard ne mesurent pas la même chose

En France, le calcul des fondations s'appuie surtout sur le pressiomètre Ménard, dans le cadre de l'Eurocode 7 appliqué aux fondations profondes. Le CPT, lui, brille pour la reconnaissance rapide et la coupe continue du terrain. Les deux se complètent plus qu'ils ne s'opposent.

Le pressiomètre mesure directement la déformation du sol, donnée utile pour dimensionner une fondation. Le CPT trace une coupe fine et rapide, qui sert à découper les couches et à choisir où placer les essais plus lourds. Sur un même terrain, un géotechnicien combine souvent les deux.

Les mesures du CPT, grandeur par grandeur

Quatre grandeurs reviennent dans un rapport de CPT ou de CPTu. Voici à quoi sert chacune.

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

L'essai CPT et le piézocône CPTu suivent la norme NF EN ISO 22476-1, publiée en 2013. Elle fixe l'appareillage, la vitesse de fonçage, les mesures à relever et le contenu du compte rendu. Grâce à elle, deux essais réalisés par deux prestataires différents restent comparables.

L'essai s'inscrit dans l'Eurocode 7 (NF EN 1997-2), qui régit la reconnaissance et les essais géotechniques. Le détail du cadre normatif des essais en place rattache chaque méthode à sa norme, le CPT et le CPTu relevant tous deux de la partie 1.

Questions fréquentes