Brevet FR2418301A1 — publié le 19790921

La présente invention concerne le fonçage de tu beys, et paratt devoir recevoir une application particulièrement intéressante dans le cadre d'opérations de génie civil "offshore" ou au large, pour l'exécution de travaux de pénétration dans le fond ous-marin (fondations, ancrages, forages, etc..). La présente invention n'y est toutefois pas limitée et peut s'étendre avec avantage aux travaux pratiqués à terre. On sait que la mise en place de pieux dans le sous-sol des fonds marins est parfois nécessaire pour assurer la fixation de structures conçues pour l'exploitation de gisements pétrolifères ou entrant plus généralement dans le domaine des activités pétrolières (plateformes de forage, réservoirs immergés, etc..). Les problèmes technologiques souleves par cette mise en place ont pu autre souvent élégamment résolus par la technique dite du "Vibrofongage" qui consiste essentiellement à enfoncer dans le sol un tube métallique au moyen d'appareils vibrateurs, en général hydrauliques. Cependant rl arrive que la rencontre de certaines couches de terrain dur entrave la progesssion du tube dans le so. Il peut aussi se produire un compactage des matériaux du sol au-dessous de l'extrémité inférieure du tube qui, même si elle n1 est pas obturée à l'origine, le devient en cours de route du fait de la formation d'un bouchon de terre très résistant. Tout ceci requiert évidemment la mise en oeuvre d'un surcrolt d'énergie de fonçage et donne lieu par ailleurs à des risques de flambage et autres avaries du tube. La présente invention vise, en pareille circonstance, à vaincre ces résistances à l'enfoncement en procédant à l'élimination ou au franchissement de l'obstacle en cause, que ce soit par désagrégation du bouchon de terre ou percement des couches de terrain dur, ouvrant ainsi la voie à une poursuite normale de la progression du tube sous énergie de fonçage modérée. Conformément à un mode d'exécution du procédé de la présente invention, aussitôt constaté un arrêt ou du moins un ralentissement marqué de ia progression du tube dans le sol, on expédie à son extrémité inférieure une foreuse propre à attaquer les matériaux résistants, la réaction engendrée par l'opération de forage étant prise en charge par la paroi du tube qui est à cet effet solidarisée avec le corps de la foreuse, de préférence à un niveau in férieur aussi proche que possible du foret proprement dit. Bien entendu, la foreuse peut être de tout type adéquat; elle sera en principe rotative, mais pourrait tout aussi bien être du type à percussion ou même à jet sous pression. Dans le cas préféré dlune foreuse rotative, le couple de réaction transmis à la paroi du tube peut entrainer une certaine rotation du tube, en sens inverse de celui du foret, par rapport au terrain environnant si le frottement de ce dernier est insuffisant pour s'y opposer. Selon une particularité de la présente invention, on met à profit ce phénomène pour concourir à la pénétration du tube dans le sol, en munissant par exemple le bord inférieur de ce tube soit de dents, soit d'une couronne abrasive adéquate ou de tous accessoires mécaniques propres à assurer le découpage du sol. A l'inverse, si l'on désire contrecarrer le phénomène ci-dessus de rotation du tube par réaction, il suffit de munir d'ailettes la surface externe du tube, principalement à sa partie terminale inférieure. Toutes choses égales par ailleurs, le couple de réaction susceptible de provoquer la rotation du tube dans le terrain en sera notablement accru. Il ira de soi que la présente invention n'est nullement limitée au cas envisage jusqu'ici de l'application d'un matériel de forage et qu'on ne sortirait pas du cadre de l'invention en substituant à ce matériel tout autre outillage conçu pour opérer au pied du tube fiché dans le sol. Ainsi, dans l'éventualité où la couche de terrain que doit traverser le tube, loin d'etre résistante, est au contraire plutôt molle, on aura avantage à disposer à l'extrémité inférieure du tube un cône de pénétration permettant par exemple de réaliser le fonçage du tube par simple refoulement du sol meuble. Dans le même ordre d'idée, Si l'on veut contrôler la capacité d'ancrage du tube, c'est-à-dire sa fixité sous l'effort d'arrachement maximum qu'il est censé pouvoir encaisser, on remplacer l'outil de forage ci-dessus par une plaque d'appui contre 16 sol soumise à l'action calibrée d'un vérin dont le corps sera solidarisé avec le tube. On pourra alors observer, en faisant exercer par le vérin la force voulue d'appui sur le sol - et par conséquent d'arrachement du tube - si le tube s'ébranle ou au contraire demeure inébranlable : dans le premier cas, on poursuivra l'enfoncement et l'on répètera un peu plus tard l'opération de contrôle, et ainsi de suite jusqu'à atteindre l'immobilité totale du tube. De même, on pourra substituer un carottier à l'outil de forage si l'on désire prélever des échantillons par fonçage statique dans le sol. Pour l'exécution de l'une ou ltautre des opérations envisagées et plus précisément pour permettre la solidarisation ou la libération à volonté du corps de l'outillage utilisé, la présente invention prévoit la mise en oeuvre d'un dispositif de vérin du genre à poche gonflable monté sur le corps de l'outillage entre ce dernier et la paroi du tube? la solidarisation pendant toute la durée du travail étant assurée par alimentation en fluide sous pression de ladite poche gonflable, tandis que la libération permettant l'amovibilité de l'outillage s'obtient en mettant la poche à la vidange. Un tel dispositif de vérin de solidarisation commandé est décrit dans le brevet français 1.402.010 du 22 Avril 1964 auquel on pourra se reporter pour les détails de construction et de fonctionnement qu'il paraît inutile de reproduire ici. Il est bien évident qu'un tel vérin à poche gonflable peut venir prendre appui contre le tube aussi bien de l'intérieur par arcboutement sur sa paroi que de l'extérieur par étranglement sur sa surface externe. Dans une variante de la présente invention - qui peut d'ailleurs coexister avantageusement avec les modes de réalisation précédents - on a recours à une telle disposition où le vérin, agissant donc de l'extérieur du tube, assurera solidarisation avec lui d'une plateforme à laquelle est assujetti le système vibrateur qu autre système de fonçage adéquat du tube. La description qui va suivre en-regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment ltinvention peut titre réalisée. La figure 1 est une vue fragmentée en coupe axiale schématique d'un mode de réalisation de tube autoforeur conforme à la présente invention, le raccordement des fragments se faisant selon la ligne a-b. La figure 2 illustre des étapes successives, numérotées de 1 à 5, du processus de fonçage d'un tel tube dans le sol terrestre ou sous-marin. les figures 3 et 4 sont des vues partielles analogues à la figure 1 montrant des variantes de réalisation de la présente invention. On a représenté sur les dessins un tube T fiché dans le sol S où Iton rencontre de haut en bas par exemple une couche de terrain meuble CI, puis une couche de terrain résistant C2 et enfin de nouveau une couche de terrain meuble C3 le tube T est enfoncé dans le sol S à l'aide d'un appareil de fonçage adéquat connu tel que des vibrateurs synchronisés v Ltappareil de fonçage V n'est pas fixé à la tette du tube qui peut se situer très haut au-dessus du sol, mais sur la surface externe du tube à un niveau réglable quelconque qu'on maintiendra pas trop éloigné du sol, afin d'éliminer les risques de flambage et autres avaries.A cet effet, l'appareil de fonçage V est supporté par une monture amovible I entourant le tube T et pouvant coulisser le long de celui ci. Cette monture 1, constituée par une plateforme fixe ou tournante, présente une jupe 2 que traverse le tube T et qui est munie sur sa paroi d'un vérin à poche annulaire gonflable 3 du type décrit dans le brevet français sus-mentionné. On peut donc fixer la plateforme 1 à tout niveau voulu de la hauteur du tube T, en alimentant le vérin 3 en fluide sous pression propre à faire gonfler la poche annulaire qui vient alors solidariser la plateforme 1 avec le tube T par étranglement de ce dernier. Lorsqu'au fonçage, la jupe 2 de la plateforme vibrante 1 parvient près du sol, on met le vérin 3 à la vidange, libérant la plateforme 1 qui peut alors être remontée d'une certaine hauteur, puis de nouveau solidarisée avec le tube T, et ainsi de suite Jusqu'à la fin de l'opération de fonçage, quand la plateforme I peut être récupérée par le haut du tube pour réutilisation sur un autre tube à foncer. A cette monture d'outillage amovible sur l'exté- rieur du tube T correspond une autre monture amovible, mais cette fois à l'intérieur de celui-ci, pour un autre outillage: en l'espèce une foreuse 4 visible sur les figures 1 et 2. Dans le mode de réalisation décrit, cette foreuse comporte un foret 5 monté sur un arbre carré 6 entraîné par un moteur 7 dont le carter est entouré d'un vérin à poche annulaire gonflable 8 analogue au vérin 3. L'arbre carré 6 traverse de façon coulissante le moteur 7 et constitue la tige d'un vérin hydraulique 9 à course axiale et à double effet, dont le piston 10 permet d'appliquer une certaine pression sur le foret 5 pour son avancement ou de le relever une fois arrivé en fin de course. De mEme que la plateforme 1 porteuse du vibrateur V, la foreuse 4 peut se déplacer le long du tube T et en être solidarisée à volonté en un point quelconque de sa hauteur grâce au vérin à poche annulaire gonflable 8. Cette foreuse 4 sera expédiée par 11 intérieur du tube T jusqu a pied d'oeuvre, chaque fois que le besoin s'en fera sentir. La figure 2 montre certaines étapes caractéristiques du fonctionnement de la foreuse 4 - à l'étape NO 1, la foreuse 4 étant en position d'attente à la partie supérieure du tube T, celui-ci est mis en fiche dans la couche meuble C1 du sol S, par exemple le fond sous-marin, et les vibrateurs V étant en fonctionnement, le tube T continue à s'enfoncer normalement; - à l'étape ND 2, l'extrémité inférieure du tube T atteint la couche résistante C2 et de ce fait on assiste à un refus de progression;; - à l'étape ND 3, on expédie la foreuse au bas du tube T (comme montré en 4a) où est assurée la solidarisation ré ciproque grâce au vérin à poche annulaire gonflable 8, et l'on procède au curage des matériaux provenant de la couche meuble C1 et remplissant le pied du tube, comme illustré par les flèches; - à l'étape N 4, la foreuse étant amenée en 4b près ae l'extrémité inférieure du tube T, on procède au forage proprement dit de la couche résistante C2, y ouvrant un chemin pour la traversée de celle-ci;; - à l'étape NO 5, le tube T ayant achevé sa traversée de la couche résistante C2 et s'étant engagé dars la couche meu ble 03, on n'a plus besoin de la foreuse 4 qui est alors remontée en position d'attente au sommet du tube ou même complètement retirée pour réutilisation dans un autre tube. On notera que l'effort de vibration peut Autre appliqué au tube T, à n'importe quel niveau de celui-ci. On peut donc, en particulier au stade initial du processus de fonçage, fixer la plateforme vibrante 1 à la base du tube ç et la foreuse 4 à l'extrémité supérieure de celui-ci. On peut ainsi supporter l'ensemble par le seul câble Il de suspension de la foreuse 4 et réaliser un très bon aplomb du tube g qui sera lesté à sa base par le poids de la plateforme 1 dont les câbles de suspension 12 seront maintenus mous au cours du fonçage. Les débris du sol découpé par le foret 5 seront évacués (étape NO 3) soit par une circulation ascendante entretenue par une injection d'eau en surpression au niveau de l'outil, soit éventuellement, dans le cas d'utilisation d'une tarière, par retrait de la foreuse hors du tube et, si besoin est, introduction à l'intérieur de celui-ci d'un outil de curage adéquat. Les manoeuvres a fintroduction dans le tube T de la foreuse 4 ou autres outillages éventuellement nécessaires, pourront être facilitées par la fixation à l'extrémité supérieure du tube T d'un guide 13 en forme d'entonnoir, cette fixation pouvant elle aussi être assurée par le dispositif de serrage précité à poche annulaire gonflable. En fin de fonçage, on peut envoyer au pied du tube T une fraiseuse 4' (voir figure 3) d'un type connu à trépan 5' expansible radialement, pour ménager dans le terrain une enceinte E de plus grand diamètre que celui du tube T. Lors de la coulée de béton dans ce dernier pour constituer un pieu, l'enceinte E permettra de créer une embase élargie augmentant sensiblement la capacité d'ancrage du pieu. On peut d'ailleurs vérifier la capacité d'ancrage du tube T lui-meme de la façon représentée sur la figure 4. On rappellera tout d'abord que l'évaluation de la capacité d'ancrage d'un pieu est malaisée, ce qui conduit le plus souvent, par souci de securité, à l'exécution de pieux notoirement plus longs qu'il n'est strictement nécessaire. Or, le procédé de l'invention permet, à tout moment de l'exécution, de vérifier expérimantalement et en vraie grandeur la capacité d'ancrage atteinte par le pieu. Il suffit en effet de remplacer l'outil de forage normalement monté sur la foreuse 4 par une plaque d'appui 14 puis d'utiliser le vérin d'avance hydraulique de la tige 6 pour appuyer sur cette plaque 14 après avoir rendu la foreuse 4 solidaire du tube T grace à sa ceinture hydraulique S. On peut en variante substituer à la foreuse un vérin hydraulique à course axiale, rendu solidaire du tube de la même façon. il est ainsi possible d'arrenter le fonçage du tube à la profondeur juste suffisante pour la performance requise. Dans ce qui précède, on a supposé opérer en site marin et l'on pourra assurer la commande des diverses manoeuvres (solidarisation et désolidarîsation, avance et relèvement de lioutil, entrainement en rotation) depuis l'engin flottant de surface auquel le tube et les accessoires seront raccordés, par un nombre convenable de tuyaux flexibles 15 et de câbles de sustentation, la sustentation pouvant également être assurée par des flotteurs partiellement ou totalement immergés.On peut également, en vue de réduire le nombre des connexions flexibles nécessaires avec la surface et d'accroître la mobilité du dispositif, assurer la distribution et la répartition des fluides sous pression utilisés pour réaliser les différentes manoeuvres, à partir du dispositif immergé, la telécomnande depuis la surface du système de distribution immergé pouvant être assurée par un câble électrique multiconducteur. Comme on l'a dit, la présente invention est également applicable en site purement terrestre et apporte à cet égard un avantage appréciable. On sait en effet qu'une technique courante d'exécution des pieux par ''Vibrofonçage'l en site terrestre consiste - à foncer ce tube par vibration jusqu'à la cote requise, - à curer l'intérieur de ce tube au moyen d'une tarière automotrice, - à couler le béton dans le trou, puis à extraire le tube par vibration. Cette technique implique que le tube ne dépasse pas le sol de plus d'une certaine hauteur représentant la garde maximale de la tarière par rapport au sol. Cette condit ion impose donc la définition préalable de la longueur des pieux sur un chantier donné et l'approvisionnement d'autant de tubes de travail qu'il y a de longueurs de pieux retenues. Elle impose par ailleurs 11 emploi de deux grues l'une qui supporte le tube et son vibrateur, l'autre équipée en tarière et par suite inapte à la manutention du tube. L'utilisation du tube autoforeur objet de la présente invention affranchît évidemment le chantier de ces sujétions puisque le mme appareil de levage peut mettre alternativement en oeuvre le tube muni de son vibrateur et la foreuse. REVENDICATIGNS 1. Procédé d'amenée à pied d'oeuvre d'un outillage amovible destiné à opérer de concert avec un tube ouvert aux deux bouts et fiché dans le sol terrestre ou sous-marin, ledit outillage étant associé à une monture qui permet d'en régler la position de travail le long dudit tube et qui est à volonté solidarisée avec celui-ci afin d'y transférer les forces mécaniques engendrées par le travail de l'outillage, caractérisé en ce qu'on expédie par l'intérieur du tube et vers le bas l'outillage devant etre mis en oeuvre au pied du tube, et l'on solidarise le corps de cet outillage avec le tube, de préférence à un niveau de sa paroi aussi proche que possible de son extrémite inférieure, afin de faire prendre en charge par le tube la réaction qu'engendre l'opération entreprise par l'outillage, ce dernier pouvant être remonté après avoir accompli sa mission (laquelle peut être répétée aussi souvent que nécessaire) pour remplacement éventuel par un autre outillage devant accomplir le mime itinéraire. 2. Procédé selon la revendication 1 pour l'enf on- cement dans le sol d'un tube dont la progression est genre par la rencontre, à son extrémité inférieure, de matériaux résistants faisant obstacle à la pénétration, caractérisé en ce au'aussitôt constaté l'arrêt ou du moins le ralentissement marqué de la progression du tube, on y expédie un dispositif de forage propre à attaquer lesdits matériaux résistants et ouvrir ainsi la voie à une poursuite normale dgla progression du tube. 3. Procédé selon la revendication 2, où le dispositif de forage comporte un foret rotatif mu par un moteur dont le carter est solidarisé avec le tube qui encaisse de ce fait le couple de réaction, lequel peut entrainer une rotation du tube - en sens inverse de celle du foret par rapport au terrain environnant, si le frottement de ce dernier est insuffisant pour interdire la rotation du tube, caractérisé en ce qu'on met à profit ce phénomène pour concourir à la pnétration du tube dans le sol, en munissant par exemple le bord inférieur de ce tube soit de dents, soit d'une couronne abrasive adéquate, soit encore de tous accessoires mécaniques propres à assurer f- découpage du sol. 4, Procédé selon la revendication 3, où le dispositif de forage comporte un foret rotatif mû par un moteur dont le carter est solidarisé avec le tube qui encaisse de ce fait le couple de réaction, lequel peut entraîner une rotation du tube - en sens inverse de celle du foret - par rapport au terrain environnant, si le frottement de ce dernier est insuffisant pour interdire la rotation du tube, caractérisé en ce qu'on contrecarre ce phénomène en munis- sant d'ailettes la surface externe du tube, principalement à sa partie terminale inférieure. 5. Procédé selon la revendication 1 pour llenfon- cement dans le sol d'un tube devant traverser des couches de terrain meuble, caractérisé en ce qu'on expédie à l'extrémité inférieure du tube un corne de pénétration permettant par exemple de réaliser le fonçage du tube par simple refoulement des matériaux meubles. 6. Procédé selon la revendication 1 pour le contrôle de la capacité d'ancrage d'un tube, caractérisé en ce qu'on y expédie une plaque d'appui contre le sol soumis à l'action calibrée d'un vérin dont le corps est solidarisé avec le tube, ce qui se traduit par un effort déterminé vers le haut tendant à arracher le tube du sol, et l'on observe si le tube demeure immobile ou s'il s'ébranle, auquel cas on poursuit son fonçage et l'on répète éventuellement l'opération de contrôle de capacité d'ancrage jusqu'à constater l'immobilité du tube sous l'effort d'arrachement. 7. Procédé selon la revendication 1 pour le prélèvement d'échantillons du sous-sol au pied d'un tube, ca- ractérisé en ce qu'on y expédie un carottier pour effectuer ce prélèvement. o' ?rocédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on fait appel, pour solidariser ou libérer à volonté l'outillage, à un dispositif de vérin du genre à poche gonflable montée sur le corps de l'outillage entre ce dernier et la paroi du tube, la solidarisation pendant toute la durée du travail étant assurée par alimentation en fluide sous pression de ladite poche gonflable, tandis que la libération permettant l'anovibilité de l'outillage s'obtient an mettant la poche à la vidange. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel or enfonce le tube dans le sol à l'aide d'un appareil de fonçage à vibration, percussion ou autre, assujetti audit tube par l'entremise d'une plateforme extérieure qui porte ledit appareil de fonçage et qu'on solidarise avec ledit tube à tout niveau désiré de celui-ci, caractérisé en ce qu'un dispositif de vérin du genre à poche gonflable monte sur ladite plateforme entre elle et la surface externe du tube assure la solidarisation réciproque par alimentation en fluide sous pression de ladite poche gonflable, tandis que la libération permettant l'amovibilité de la plateforme s'obtint an mettant la poche à la vidange.