Brevet FR2466604A1 — publié le 19810410

La présente invention concerne une machine de forage pour réaliser des trous dans le sol, au moyen d'une vis de forage rotative, à la différence des machines a tarière servant à réaliser des trous dans le bois. On connaît des machines de forage du genre en question, comportant une vis de forage nue ayant une extrémité inférieure qui constitue un outil pour creuser le sol, et une extrémité supérieure associée à un mécanisme d'entrainement en rotation. Ce système est monté de manière à pouvoir monter ou descendre le long d'un mât disposé à la verticale sur le sol. Le mécanisme d'entrainement fait tourner autour de son axe longitudinal la vis de forage, qui pénètre dans le sol, et joue en même temps le rôle d'une vis d'Archimède pour évacuer les déblais du forage. Ces machines connues présentent plusieurs inconvénients. D'une part la vis de forage est amenée à creuser des sols présentant des caractéristiques stratigraphiques variées ; et de ce fait, la vis qui comporte un arbre sur lequel est fixée une rampe hélicoïdale continue, est sujette à se déformer par flexion. Ceci est gênant pour réaliser des trous bien droits. En outre la paroi du trou en cours de forage peut s'effondrer, et il en résulte d'autres difficultés. Par ailleurs, les machines de forage connues du genre en question ne permettent de réaliser dans le sol que des trous de diamètre limité. Pour creuser des trous de grand diamètre il faut évidemment employer une vis de forage d'un calibre correspondant. Or ceci impose une mature-support suffisamment solide pour supporter les efforts de réaction très importants en jeu au cours d'un forage avec une vis de grand diamètre. Mais on ne peut pas augmenter la solidité de la mature d'une manière illimitée, car il faut notamment conserver une machine de forage commode et maniable. C'est pourquoi, avec les machines de forage connues, il n'a pas été possible de réaliser des trous de grand diamètre, sans accepter un sacrifice quant à la maniabilité de la machine ou à d'autres caractéristiques de celle-ci. Le but de l'invention est de proposer une machine de forage du genre en question qui puisse réaliser dans le sol des trous bien droits. Le but de l'invention est également de proposer une machine de forage pouvant être facilement adaptée à la réalisation de trous de plus grand diamètre que les trous réalisables avec les machines connues, et ceci sans avoir à renforcer ou à modifier la structure essentielle de la machine. L'invention a également pour but d'éviter les risques d'effondrement de la paroi du trou en cours de forage. L'invention vise une machine de forage pour réaliser des trous dans le sol, comportant des moyens de guidage disposés à la verticale en position de service, et une vis de forage orientée verticalement et pouvant coulisser le long des moyens de guidage, la vis de forage étant associée à des moyens- d'entrarnement en rotation, et comportant un arbre sur lequel est fixée une rampe hélicoïdale continue. Selon l'invention, la machine précitée est caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une enveloppe tubulaire entourant la vis de forage, et pouvant coulisser avec celle-ci le long des moyens de guidage, et des moyens d'entraînement pour faire tourner en sens opposés autour de leur axe commun la vis de forage et l'enveloppe tubulaire qui l'entoure, par rapport aux moyens de guidage ; pour ce faire, les moyens d'entraînement sont raccordés aux extrémités supérieures de la vis de forage et de son enveloppe tubulaire. Ainsi, pendant le forage d'un trou, la vis de forage tourne dans un sens donné pour enlever et évacuer vers le haut les débris du forage, en les faisant remonter par l'intérieur de l'enveloppe tubulaire. Celle-ci comporte avantageusement un certain nombre d'ouvertures disposées de place en place le long de l'enveloppe, pour rejeter à l'extérieur les déblais en question. La rotation de l'enveloppe tubulaire en sens inverse de la rotation de la vis de forage, permet de contre-balancer ou au moins de réduire d'une manière importante les efforts de réaction appliqués sur les moyens de guidage par le fonctionnement de la vis de forage. On peut donc augmenter à la demande le diamètre de la vis de forage, sans avoir à renforcer les moyens de guidage et leurs supports, pour réaliser des trous de grand diamètre. L'effet de guidage assuré par l'enveloppe tubulaire entourant la vis de forage permet à celle-ci de percer un trou bien droit dans le sol, évitant en outre l'effondrement de la paroi du trou en cours de forage, comme on l'expose plus loin en décrivant à titre d'exemple un mode de réalisation concret de la machine de forage conforme à l'invention. D'une manière avantageuse, la vis de forage comporte du côte de son extrémité supérieure une rampe hélicoidale de refoulement vers le bas, relativement courte. Cette rampe hélicoïdale de refoulement vers le bas et la rampe hélicoïdale continue de la vis de forage présentent des pas de sens opposés. Grâce à cette disposition, lorsque la machine fonctionne pour forer un trou, la rampe hélicoidale de refoulement vers le bas repousse les déblais que la rampe hélicoïdale principale fait remonter vers le haut de l'enveloppe tubulaire. Et les déblais en question sont rejetés hors de l'enveloppe tubulaire, par l'ouverture de celle-ci qui est disposée le plus loin vers le haut. Ceci empêche les déblais de pénétrer dans le mécanisme d'entraînement. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront encore de la description de quelques modes de réalisation, présentés ci-après à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 est une vue en élévation d'une machine de forage conforme à l'invention, montée en position de forage sur un vehicule à chenilles - la figure 2 est une vue agrandie en plan par-dessus de la machine de forage de la figure 1, avec une coupe horizontale partielle du mât et du rail de guidage de la tête de forage - la figure 3 est une coupe verticale de la tête de forage de la figure 2 suivant III-III, montrant en détail le mécanisme d'entraînement et la partie supérieure de la vis de forage et de l'enveloppe tubulaire de la vis - la figure 4, analogue à la figure 2, représente une variante du mécanisme d'entraînement - les figures 5A à 5F sont des schémas successifs en coupe verticale, montrant la suite des opérations permettant la mise en place dans le sol d'un pieu préfabriqué en béton, au moyen de la machine de forage conforme à l'invention - les figures 6A à 6E sont des schémas successifs en coupe verticale, montrant la suite des opérations permettant de réaliser un pieu en béton armé coulé sur place, au moyen de la machine de forage conforme à l'invention. Dans le mode de réalisation des figures 1 à 3, la machine de forage est montée par exemple sur un véhicule à chenilles 10, et comporte essentiellement un mât-support 11 auquel est fixé un rail de guidage 12 qui s'étend sensiblement sur toute la longueur du mât, pour guider une vis de forage 13 (figure 3) mobile le long du rail, et contenue avec un jeu approprié dans une enveloppe tubulaire 14. Un mécanisme d'entraînement 15 permet de faire tourner la vis de forage et son enveloppe tubulaire en sens opposés par rapport à leur axe commun, pendant les opérations de forage. Sur la figure 1, on a représenté la machine de forage en train de forer un trou dans le sol G. A cet effet, le mât 11 est dressé verticalement par rapport au sol, et soutenu par le véhicule à chenilles 10, auquel il est relié par deux contre-fiches articulées 16 (dont une seule est visible) et par une chape inférieure de liaison 17. Le mécanisme d'entraînement 15 (figure 2) est monté dans un carter 23 portant extérieurement deux paires opposées de pattes 18, étagées dans le sens vertical et en saillie latérale par rapport au carter. Ces pattes sont montées à coulisse sur le rail de guidage 12 du mât 11, pour permettre un mouvement vertical vers le haut ou vers le bas, le long du rail de guidage, du mécanisme d'entraîne- ment 15, avec la vis de forage 13 et son enveloppe 14. Le mouvement vertical précité de la vis de forage 13, contenue dans son enveloppe et portée par le carter 23 du mécanisme d'entraînement 15, est commandé par un câble de hissage 19 associé à un treuil (non représenté) du véhicule porteur 10. Le câble 19 passe dans les poulies de renvoi d'un bloc de guidage 20 en tête du mât 11 et dans une poulie de mouflage 21 du carter du mécanisme d'entraînement 15, d'où le câble 19 fait retour pour aboutir a un point d'ancrage situé sous le bloc 20 en tête du mât. En virant ou en dévirant le câble de hissage 19 au moyen du treuil de manoeuvre précité, on peut ainsi faire monter ou descendre la vis de forage 13, contenoedans son enveloppe et portée par le mécanisme d'entraînement 15. Le mouvement précité de montée ou de descente s'effectue par coulissement des éléments en question le long du rail de guidage 12. Sur les figures 2 et 3, on a représenté les détails d'un mode de réalisation du mécanisme d'entraînement 15. Dans ce mode de réalisation particulier, décrit ici à titre d'exemple, le mécanisme d'entraînement 15 comporte deux moteurs 22 et 22a, montés sur le carter 23 du mécanisme. De préférence, les moteurs précites sont synchrones, tournant à la même vitesse, et développant la même puissance. Sur la figure 3 le moteur 22 comporte un arbre de sortie 24 qui pénètre vers le bas dans le carter 23, ot il est tenu par deux paliers à billes 25. De même, l'autre moteur 22a comporte un arbre 24a (non représenté) qui pénètre vers le bas dans le carter 23, où il est tenu par deux autres roulements analogues aux roulements 25. Des pignons d'entraînement 26 et 26a, clavetés respectivement sur les arbres 24 et 24a des moteurs 22 et 22a, sont en prise tous les deux avec une roue dentée 27, montée sur un premier arbre d'entraînement creux 28 qui traverse verticalement le carter 23, où il peut pivoter sur des paliers 29, montés sensiblement aux deux extrémités de l'arbre creux 28. De préférence (figure 2), le premier arbre d'entraînement 28 est disposé de manière à être plus éloigné du rail de guidage 12 que les deux moteurs 22 et 22a, euxmêmes montés symétriquement de part et d'autre d'un plan de référence défini par l'axe du premier arbre d'entraînement 28 et l'axe du mât 11. Ce montage préféré permet d'obtenir un meilleur équilibrage du mécanisme d'entraînement, outre un autre avantage-pratique exposé plus loin pour la commodité du forage. Le premier arbre d'entraînement 28 porte en outre un pignon 30, en prise avec au moins un pignon fou 31. Le mécanisme 15 représenté à titre d'exemple comporte trois pignons fous 31 en prise avec le pignon 30 de l'arbre 28, et régulièrement répartis autour de celui-ci. Chaque pignon fou 31, monté sur un arbre 47 qui pivote sur des paliers 32 solidaires du carter 23, se trouve en prise avec la denture interne d'une couronne tournante 33,- tenue par un roulement à billes 34 sur une bordure annulaire 35 faisant corps avec le carter 23. La couronne 33 à denture interne est solidaire d'un-second arbre d'entraînement tubulaire 36, orienté vers le bas, et-co-axial au premier arbre d'entraînement 28. L'extrémité inférieure du premier arbre d'entraînement 28 est raccordée à un arbre creux 37 portant la vis de forage 13, qui présente une rampe hélicoïdale continue 38 fixée sur l'arbre creux 37. De préférence, ainsi qu'on l'a représenté sur la figure 3, le premier arbre d'entraînement 28 est raccordé à l'arbre 37 de la vis de forage, par l'intermédiaire d'un arbre creux démontable 39, de faible longueur, et portant une vis de refoulement vers le bas 40, analogue à la rampe hélicoldale continue 38 fixée sur l'arbre principal 37 de la vis de forage, mais de pas inverse par rapport à la rampe 38. L'extrémité supérieure du premier arbre d'entrainement 28 est raccordée à une canalisation souple 41 par un joint tournant 42. La canalisation 41 communique ainsi avec l'arbre principal 37 de la vis de forage, par l'intermédiaire du premier arbre d'entraînement 28 et de l'arbre intermédiaire démontable 39. Comme indiqué déjà, les arbres précités sont creux, et on peut ainsi amener par la canalisation 41 toute espèce de fluide approprié, pour faire passer dans l'arbre 37 de la vis de forage le fluide qui en ressort par un orifice (non représenté), prévu à cet effet à l'extrémité inférieure de l'arbre 37. On précise plus loin la nature des fluides ainsi amenés par la canalisation 41, à propos du fonctionnement de la machine de forage conforme à l'invention. Par sa bordure inférieure 43, le second arbre d'entraînement tubulaire 36 est boulonné sur la bordure supérieure de l'enveloppe tubulaire 14, qui entoure la vis de forage 13. Ainsi, la vis de forage 13 et son enveloppe tubulaire 14 sont entraînées en rotation en sens opposés par rapport à leur axe commun, sous l'effet du mouvement du premier arbre 28 et du second arbre 36, respectivement. Vers le bas (figure 1), l'enveloppe tubulaire 14 se termine un peu au-dessus de l'extrémité inférieure de la vis de forage, dont au moins le bout se trouve ainsi exposé en dehors de l'enveloppe 14. Celle-ci comporte de place en place dans le sens de la longueur un nombre approprié d'ouvertures 44 et 44a, pour l'évacuation des déblais enlevés par la vis de forage 13, et envoyés vers le haut par la rampe hélicoïdale 38 de la vis en fonctionnement. On a désigné par 44a (figure 3) celle des ouvertures précitées qui se trouve disposée le plus loin vers le haut, et qui joue un rôle particulier, comme on l'expose plus loin. Les deux moteurs 22 et 22a utilisés dans le mode de réalisation de la machine de forage conforme à l'invention que l'on décrit ici à titre d'exemple, permettent d'augmenter la puissance disponible'sur le mécanisme de transmission 15. Mais il est évident que ce système à deux moteurs associés n'est qu'un exemple, et qu'on peut -aussi bien employer un seul moteur1 comme dans le cas de la variante 15a du mécanisme d'entraînement représentée sur la figure 4. De préférence, le moteur unique 22b est alors disposé entre le rail de guidage 12 et le premier arbre d'entrainement 28, pour assurer une meilleure stabilité du mécanisme d'entraînement 15a. On va maintenant exposer le fonctionnement de la machine de forage conforme à l'invention que l'on vient de décrire en référence aux figures l'à 3. Par exemple, lea deux moteurs 22 et 22a tournent à la même vitesse et dans le même sens (correspondant au sens inverse de celui des aiguilles d'une montre sur la figure 2). Comme les arbres de sortie 24 et 24a des moteurs précités entraînent le premier arbre 28 de la tête de forage par l'intermédiaire des pignons de sortie 26, 26a, et de la roue dentée 27, le premier arbre 28 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, ainsi que la vis de forage 13 qu'il entraîne directement. L'arbre 28 entraine en outre la couronne tournante 33 à denture interne, par l'intermédiaire du pignon 30 et des trois pignons fous 31-, de sorte que la couronne 33 tourne à l'envers par rapport à l'arbre 28, dans le sens inverse de celui des aiguilles d'une montre, ainsi que le second arbre d'entrainement 36. I1 en va de même pour l'enveloppe tubulaire 14, contenant la vis de forage 13, car elle est boulonnée directement sur le second arbre de sortie 36. Ainsi, la vis de forage 13 de la machine conforme à l'invention pénètre dans le sol G en tournant en sens inverse par rapport à l'enveloppe tubulaire tournante 14 qui l'entoure, ainsi qu'on l'a déjà indiqué. Sur les figures 5A à 5F on a schématisé les phases successives d'un procédé permettant de mettre en place dans le sol un pieu préfabriqué en béton armé, au moyen de la machine de forage conforme à l'invention. On commence à faire penétrer dans le sol G la vis de forage 13, entourée de son enveloppe tubulaire 14 tournant en sens inverse (figure 5A), tout en injectant une boue liquide lourde du genre "Bentonite", amenée dans l'arbre 37 de la vis de forage en passant par la canalisation 41, et par le premier arbre d'entraînement 28. Au fur et à mesure de l'enfoncement du forage, la boue liquide s'écoule dans le trou foré H, en sortant par l'orifice (non représenté) prévu à cet effet au bout de l'arbre 37 de la vis de forage. Dans le trou H en cours de forage, la boue liquide ainsi injectée se mélange aux graviers, au sable et à l'argile ou aux autres déblais analogues, pour former une boue épaisse. Cette boue épaisse est évacuée vers le haut par le transporteur à vis d'Archimède constitué par la rampe hélicoïdale continue fixée sur l'arbre 37 de la vis de forage, et la boue précitée est ainsi refoulée par les orifices d'évacuation 44 et 44a jusqu'à la surface du sol. Une partie de la boue refoulée sort par les ouvertures 44 situées à l'intérieur du trou H, et cette boue colmate la paroi du trou dont elle empêche l'effondrement (figure 5B). L'arbre 37 de la vis de forage est relié au mécanisme d'entraînement 15 par l'arbre intermédiaire 39 de faible longueur (figure 3), sur lequel est fixée la rampe hélicoïdale de refoulement vers le bas 40, dont le pas est opposé à celui de la rampe hélicoïdale continue 38 fixée sur l'arbre 37. Ainsi, malgré l'effet de la rampe hélicoïdale continue 38 qui évacue continuellement la boue épaisse vers le haut de l'enveloppe tubulaire 14 la rampe de pas opposé 40 repousse cette boue vers le bas, si bien que la boue sort finalement de l'enveloppe tubulaire 14-par son ouverture 44a disposée le plus loin vers le haut, entre les rampes hélicoïdales opposées 38 et 40. La rampe 40 de refoulement vers le bas sert ainsi à empêcher la boue de pénétrer dans le carter 23 du mécanisme d'entraînement 15. Lorsque le trou foré H atteint une profondeur convenable, on stoppe les deux moteurs 22 et 22a, et on retire du trou la vis de forage 13 et son enveloppe tubulaire 14. Pendant ce mouvement de retrait, on injecte par le bout de l'arbre 37 de la vis de forage une petite quantité de béton brut 45, pour combler le fond du trou (figure 5C). On injecte ensuite une solution de boue liquide 46 du genre "Bentonite" dans le trou H, également par le bout de l'arbre 37 de la vis de forage en cours de retrait (figure 5D). Après avoir retiré du trou la vis de forage 13 entouree par son enveloppe tubulaire 14, on introduit dans le trou un pieu préfabriqué P en béton (figure 5E), et on enfonce complètement le pieu P dans le trou (figure 5F). Cet enfoncement complet du pieu en béton P provoque une remontée du béton brut 45 à un niveau plus ou moins élevé, suivant le rapport existant entre le volume du pieu et celui du trou H, et suivant la quantité de béton brut mise au fond 45 du trou. La fixation solide dans le trou H du pieu préfabriqué P en béton est assurée par le durcissement du béton qui entoure le pieu. Sur les figures 6A à 6E, on a représenté les phases successives d'un procédé permettant de réaliser un pieu en béton armé coulé sur place dans un trou, au moyen de la machine de forage conforme à l'invention. On fore d'abord le trou H dans le sol G (figures 6A et 6B), de la même manière que dans l'opération déjà décrite en référence aux figures 5A et 5B. Ensuite, pendant le retrait de la vis de forage 13 entourée par son enveloppe tubulaire, on injecte dans le trou H du mortier pâteux 48 par le bout de l'arbre 37 de ia vis de forage (figure 6C), sensiblement jusqu'à remplir le trou. On met ensuite en place dans le trou H plein de mortier une armature S en treillis de tiges d'acier (figure 6D). Une fois le mortier solidifié (figure 6E), on obtient un pieu en béton armé, solidement fixé dans le trou. Grâce à l'effet de la rotation de l'enveloppe tubulaire 14, qui tourne à l'envers par rapport à la vis de forage 13, pour contre-balancer le couple de réaction du forage, la machine de forage conforme à l'invention permet de réaliser des trous de grand diamètre dans des sols de toute espèce. En outre, l'enveloppe tubulaire guide la vis de forage pour réaliser des trous droits, en évitant l'effondrement de la paroi du trou en cours de forage. Par ailleurs, comme la vis de forage 13 entourée par son enveloppe tubulaire 14 est disposée plus loin du mât 11 que les deux moteurs 22 et 22a, ou que le moteur unique 22b, la vis peut pénétrer dans le sol immédiatement à l'aplomb d'un bâtiment ou d'un ouvrage, en cas de besoin. REVENDICATIONS 1 - Machine de forage pour réaliser des trous dans le sol, comportant des moyens de guidage disposés à la verticale en position de service, une vis de forage orientée verticalement et pouvant coulisser le long des moyens de guidage, la vis de forage étant associée à des moyens d'entraînement en rotation et comportant un arbre sur lequel est fixée une rampe hélicoïdale continue, caractérisée en ce qu'elle comporte une enveloppe tubulaire entourant la vis de forage, et pouvant coulisser avec celle-ci le long des moyens de guidage, les moyens d'entrainement étant prévus pour faire tourner en sens opposés autour de leur axe commun la vis de forage et l'enveloppe tubulaire qui l'entoure, les moyens d'entrainement étant pour ce faire raccordés aux extrémités supérieures de la vis de forage et de son enveloppe tubulaire. 2 - Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'entraînement comportent un carter pouvant se déplacer le long des moyens de guidage, au moins un moteur monté sur le carter et presentant un arbre de sortie, un premier arbre d'entraînement pouvant pivoter dans le carter et raccordé de manière co-axiale à l'extrémité supérieure de la vis de forage, des moyens pour communiquer la.rotation de l'arbre de sortie du moteur au premier arbre d'entraînement, un second arbre d'entraînement tubulaire pouvant pivoter dans le carter et co-axial au premier arbre d'entraînement, ce second arbre d'entraînement étant raccordé à l'extrémité supérieure de l'enveloppe tubulaire, et des moyens pour communiquer la rotation de l'arbre de sortie du moteur au second arbre d'entraînement tubulaire, de manière à faire tourner ce dernier en un sens opposé au sens de rotation du premier arbre d'entraînement. 3 - Machine selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens prévus pour communiquer la rotation de l'arbre de sortie du moteur au second arbre d'entraînement tubulaire comportent un pignon d'entraînement solidaire du premier arbre d'entraînement, au moins un pignon de liaison monté fou dans le carter et en prise avec le pignon d'entrainement, et une couronne à denture interne montée sur un roulement dans le carter et en prise avec le pignon fou, la couronne à denture interne étant raccordée de manière co-axiale au second arbre d'entraînement solidaire de l'enveloppe tubulaire. 4 - Machine selon la revendication 2, carac térisée en ce que l'arbre de la vis de forage et le premier arbre d'entraînement des moyens d'entraînement sont l'un et l'autre des arbres creux, permettant la circulation d'un fluide arrivant par l'extrémité du premier arbre d'entraine- ment opposée à la vis de forage. 5 - Machine selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que chaque moteur des moyens d'entraînement est disposé entre les moyens de guidage et le premier arbre d'entraînement des moyens d'entraine- ment. 6 - Machine selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les moyens d'entraine- ment comportent un second moteur également monté sur le carter précité, et associé au premier moteur pour faire tourner le premier et le second arbres d'entrainement et en ce que les deux moteurs sont disposés entre les moyens de guidage et le premier arbre d'entraînement des moyens d'entraine- ment, les deux moteurs étant montés de part et d'autre d'un plan défini par l'axe du premier arbre d'entrainement et l'axe des moyens de guidage. 7 - Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la vis de forage comporte en outre une rampe hélicoïdale de refoulement vers le bas, cette deuxième rampe hélicoïdale étant relativement courte et disposée au-dessus de la rampe hélicoïdale continue précitée, les deux rampes hélicoïdales présentant des pas opposés. 8 - Machine selon la revendication 1 ou la revendication 7, caractérisée en ce que l'enveloppe tubulaire de la vis de forage comporte un certain nombre d'ouvertures pour l'évacuation des déblais enlevés par la vis de forage, les ouvertures d'évacuation précitées étant disposées de place en place le long de l'enveloppe tubulaire.