Brevet FR2503211A1 — publié le 19821008

L'invention concerne un procédé et une machine pour excaver un trou de pieu. L'invention a pour objet la construction à faible coüt de pieux de béton coulés sur place, de forte section et de grande longueur, pouvant supporter des charges horizontales et verticales élevées grâce à un élargissement de la partie supérieure ou du tronçon extrëme supérieur de ces pieux.Bien que plusieurs procédés d'excavation de trous de pieux à fond élargi, mettant en oeuvre des machines de forage à injection inverse, aient été développés à cet effet, ces procédés posent des problèmes en ce qui concerne les points indiqués ci-dessous (1) la machine d'excavation est complexe et cette complexité est à l'origine de pannes et entraîne un coût élevé ; (2) les trous pour pieux à fond élargi ont une forme instable ; (3) le temps de fonctionnement d'une excavatrice est long ; (4) la formation de la fondation à la partie inférieure du pieu et le balayage du sol et du sable à cette partie inférieure ne sont pas satisfaisants ; (5) l'élimination de la boue n'est pas satisfaisante ; (6) la précision de la mesure de la profondeur du trou du pieu (longueur du pieu) est mauvaise ;; (7) La capacité de charge de la partie supérieure du pieu peut etre augmentée, mais il est impossible de construire de tels pieux résistant aux moments de flexion dus à des forces extérieures horizontales provenant de tremble ments de terre ou autres. Compte tenu des inconvénients des procédés classiques d'excavation de trous de pieux à fond élargi, indiqués ci-dessus, l'invention concerne un procédé perfectionné d'excavation de trous de pieux à fond élargi, utilisant le système de forage à injection inverse. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels - les figures la à ld sont des coupes longitudinales schématiques de différents trous de pieux pouvant être excavés par la mise en oeuvre du procédé de l'invention - la figure 2 est une élévation de l'ensemble de la machine d'excavation mettant en oeuvre le procédé de l'invention ; - la figure 3 est une coupe suivant la ligne III III de la figure 2 ; - la figure 4 est une élévation schématique partielle montrant le travail d'un tuyau d'aspiration - la figure 5 est une élévation, avec arrachement partiel, d'une variante du tuyau d'aspiration ; et - la figure 6 est une vue schématique montrant le déplacement du tuyau d'aspiration montré sur les figures 4 et 5. Les figures représentent une machine A d'excavation utilisée pour la mise en oeuvre du procédé d'excavation de trous de pieux selon l'invention. La machine d'excavation comporte une colonne creuse 1 de forage ayant la longueur demandée (conçue pour etre mise en rotation par un dispositif approprié d'entraînement, non représenté sur les figures) et portant à son extrémité inférieure un outil 2 d'excavation destiné à réaliser un trou R1 de pieu ayant le diamètre demandé. La terre et le sable excavés sont déchargés audessus du sol, avec la boue, par des moyens connus. Plusieurs outils 3 de forage (par exemple quatre outils comme montré sur les figures), destinés à élargir le trou, sont disposés à l'extrémité inférieure de la colonne 1 de forage, à des intervalles déterminés de façon arbitraire. Chaque outil 3 est fixé à l'extrémité inférieure d'une barre 6 de poussée dont l'extrémité supérieure est supportée par un anneau 5 de poussée pouvant coulisser sur la colonne 1 de forage. L'outil 3 est conçu de manière à pouvoir se déplacer le long d'un guide 8 d'élargissement de fond qui est ajusté entre un anneau fixe 7 assujetti à la colonne 1 de forage et un point approprié de l'extrémité extérieure de l'outil 2 d'excavation. Le guide 8 s'effile vers son extrémité supérieure de façon à pouvoir être maintenu dans un trou R1 de pieu pendant la progression de l'excavation de ce trou R1 au moyen de l'outil 2, mais il s'élargit vers son extrémité inférieure afin que des trous R2, R3 et R4 de pieux, à fond élargi comme demandé, puissent être réalisés lorsque l'outil 3 d'élargissement est descendu. L'outil 3 d'élargissement comporte un élément coulissant 4 qui présente une section droite en U de manière que cet outil 3 puisse être déplacé le long du guide 8. Cependant, l'élément de coulissement n'est pas nécessairement limité à la forme de réalisation décrite ci-dessus à titre d'exemple. L'anneau 5 de poussée est élevé et abaissé au moyen d'un dispositif approprié de commande, par exemple un vérin hydraulique 9 dans cette forme de réalisation. Le vérin hydraulique 9 est monté de manière à pouvoir coulisser par son extrémité arrière sur la colonne 1 de forage, et l'extrémité supérieure d'une tige 10 de piston est reliée à l'anneau 5 de poussée. Le vérin hydraulique 9 est commandé depuis la surface du sol. L'outil 3 d'élargissement est abaissé le long du guide 8 par poussée vers le bas de l'anneau 5 par l'intermédiaire de la barre 6 de poussée, afin que l'outil 3 s'élargisse radialement. A la place du vérin hydraulique 9, il est possible d'utiliser, pour assumer la même fonction, une tige filetée disposée à peu près parallèlement à la colonne 1 de forage. Dans ce cas, la tige filetée est vissée dans l'anneau 5 de poussée et elle est entraînée par un moteur électrique. L'anneau 5 de poussée comporte un dispositif l1 destiné à détecter la longueur de la descente. Le dispositif 11 de détection représenté sur la figure 2 est constitué d'un câble qui peut cependant être remplacé par une chaîne ou par un tige, ou bien la détection peut être effectuée par mesure du débit d'écoulement du liquide dans le vérin hydraulique. La machine A d'excavation comporte un tuyau mobile 20 d'aspiration (figure 4) destiné à décharger la terre et le sable excavés par les outils 3 d'élargissement. Le tuyau 20 d'aspiration est supporté de manière à pouvoir coulisser par un manchon 22 de support qui est articulé à une première extrémité d'une barre supérieure 23 dont l'autre extrémité est articulée sur un anneau 19 de réception monté de manière à pouvoir s'élever et descendre sur la colonne 1 de forage. Une première extrémité d'une barre inférieure 24 est également supportée et articulée sur le manchon 22 et l'autre extrémité de cette barre est articulée sur une partie inférieure appropriée de la colonne 1 de forage. Une extrémité supérieure du tuyau 20 d'aspiration est reliée à un tuyau la de raccordement qui, lui-même, est relié à la colonne 1 de forage par l'intermédiaire d'un tuyau flexible 25.L'orifice inférieur 21 du tuyau 20 d'aspiration est déplacé radialement par des mouvements articulés des deux barres 23 et 24, proportionnellement à la descente de l'anneau 5 de poussée. Ainsi, pendant que la colonne 1 de forage tourne, la boue est aspirée avec précision du fond du trou qui est ainsi balayé. Dans les formes de réalisation montrées sur les figures 2 à 4, le tuyau 20 d'aspiration est déplacé en synchronisme avec les outils 3 d'élargissement, mais cette synchronisation n'est pas nécessaire et le tuyau 20 d'aspiration peut exécuter un mouvement alternatif indépendamment des outils 3. Par exemple, comme montré sur la figure 4, l'une ou l'autre des barres supérieure et inférieure supportant le manchon 22 de support, par exemple la barre inférieure 24, peut etre remplacée par un mécanisme à vis, à savoir un écrou commandé par un vérin hydraulique, un moteur électrique, une pression d'huile ou autre, vissé sur une tige filetée ou une vis et mis en rotation de manière à faire apparaître et disparaître cette vis. Dans un tel montage, la tige du piston est avancée ou rétractée sous l'action du vérin hydraulique et, par conséquent, le tuyau 20 d'aspiration exécute un mouvement alternatif. En variante, le fond du vérin hydraulique est monté sur un point approprié de la partie supérieure de la colonne 1 de forage, la barre supérieure 23 étant supprimée, et l'extrémité supérieure de la tige du piston est supportée par le manchon 22 afin que le tube d'aspiration puisse être animé d'un mouvement alternatif conjointement avec la barre inférieure 24. I1 existe un autre moyen permettant de faire exécuter un mouvement alternatif radial au tuyau 20 d'aspiration, ce moyen consistant à donner le poids nécessaire au manchon 22 de support et à relier une extrémité d'un câble ou d'une chaîne à ce manchon, la barre supérieure 23 étant supprimée.En relâchant le câble ou la chaîne au moyen d'un moteur électrique ou autre dispositif installé sur la surface du sol, on fait descendre le manchon 22 de support, sous l'effet de son propre poids, le long du tuyau 20 d'aspiration, et ce manchon tourne en même temps autour d'un centre constitué par l'articulation de la barre inférieure 24 sur la colonne 1 de forage. Ainsi, le tuyau d'aspiration est animé d'un mouvement alternatif radial par des tractions ascendantes et des descentes répétées du câble ou de la chalne, indépendamment de l'outil 3 d'élargissement. Ces moyens peuvent être adoptés comme souhaité, sans sortir du cadre de l'invention. La figure 5 représente une forme de réalisation utilisant un système de pivotement différent pour le tuyau 20 d'aspiration. Dans cette forme de réalisation, un conduit flexible 25, disposé de manière à dépasser à la partie inférieure de la colonne 1 de forage, comporte un tuyau 20 d'aspiration qui est conçu de manière que l'espace demandé soit réalisé entre l'extrémité supérieure 21 du tuyau d'aspiration et la surface du fond du trou excavé. Un vérin hydraulique, un cylindre à commande par moteur ou autre élément 33 est placé sur une console 34 qui fait saillie d'une partie de la colonne 1 de forage, et une tige 33a du vérin est fixée à une partie du tuyau 20 d'aspiration. En commandant le vérin hydraulique 33 depuis la surface du sol, on peut déplacer radialement le tuyau 20 d'aspiration dans le trou excavé.Dans ce cas, si une machine d'excavation à injection inverse est tournée pendant que le tuyau d'aspiration est déplacé radialement, le point de travail, situé à l'orifice de l'extrémité inférieure du tuyau d'aspiration, se déplace comme montré sur la figure 6. Autrement dit, l'orifice d'aspiration progresse vers la surface circonférentielle extérieure du fond du trou du pieu, en suivant une spirale concentrique. Par conséquent, selon ce procédé, étant donné que le vérin hydraulique est commandé depuis la surface du sol afin de déplacer constamment le tuyau 20 d'aspiration dans une direction radiale, l'orifice d'aspiration situé à l'extrémité inférieure du tuyau d'aspiration est déplacé de manière à parcourir la totalité du fond du trou et la terre excavée est aspirée et déchargée immédiatement.De plus, ce dispositif convient à toutes formes de fond de trou, quel que soit l'angle d'inclinaison du fond, et l'orifice d'aspiration est protégé contre toute obturation par la terre excavée, les pierres, etc. Ainsi, ce dispositif accroît l'efficacité d'excavation et assure un enlèvement précis de la terre excavée et de la boue du fond du trou, ce qui a pour résultat une stabilisation de la charge pouvant être appliquée à l'extrémité supérieure du pieu. Les figures représentent en 30 un stabilisateur dont le diamètre est presque égal à celui du trou R1 ou R2 de pieu, ce stabilisateur étant monté sur l'anneau fixe qui est placé sur la colonne 1 de forage audessous de l'anneau 19 de réception, afin d'empêcher toute déviation de l'excavation.Un ressort 31 est destiné à compenser toute déviation lorsque l'anneau 5 de poussée est abaissé, et à repousser vers le haut le vérin hydraulique 9 lorsque ce dernier est libéré. Une opération d'excavation d'un trou de pieu, élargi à sa partie inférieure au moyen de la machine A d'excavation décrite ci-dessus, est expliquée ci-dessous. L'outil 3 d'élargissement est poussé par le vérin hydraulique 9 jusqu'à la partie effilée du guide 8, c'est-àdire jusqu'à la position dans laquelle il ne dépasse pas de l'outil inférieur 2 d'excavation, puis il est fixé dans cette position. Par rotation de la colonne 1 de forage, un trou R1 de pieu de diamètre demandé est excavé au moyen de l'outil 2 d'excavation et la terre et le sable de déblai sont évacués au-dessus du sol par la colonne 1 de forage. L'excavation du trou RI de pieu n'est pas limitée à l'action de la machine A d'excavation décrite ci-dessus, mais elle peut également mettre en oeuvre une tarière ou autre machine utilisée classiquement.Dans le cas de la machine A d'excavation, cette dernière est introduite dans le trou excavé R1 et l'excavation est effectuée de manière que l'angle du fond du trou soit aussi plat que possible. Lorsque l'excavation a atteint la longueur spécifiée, celle du trou de pieu suivant R3 est commencée. Comme indiqué précédemment, le vérin hydraulique 9 est actionné par l'application d'une pression hydraulique à partir de la surface du sol, tandis que la rotation de la colonne 1 de forage est maintenue et que l'anneau 5 de poussée est abaissé par l'intermédiaire de la tige 10 de piston afin que l'outil 3 d'élargissement descende le long du guide 8 d'élargissement du trou et qu'il s'élargisse radialement, le long de la surface inclinée de ce guide 8, pour réaliser ainsi une excavation en utilisant la rotation de la colonne 1 de forage. L'amplitude de l'élargissement réalisé par l'outil 3, c'est-à-dire la distance sur laquelle l'outil 3 est descendu, est détectée depuis la surface du sol au moyen du dispositif approprié 11 de détection, par exemple un câble, et lorsque l'outil 3 est abaissé dans sa position la plus basse sur le guide 8, la pression hydraulique n'est plus appliquée. Lorsque le vérin hydraulique 9 est actionné par la pression hydraulique et que l'anneau 5 de poussée est abaissé jusqu'à l'anneau 19 de réception par l'intermédiaire de la tige 10 du piston, l'anneau 19 de réception descend en comprimant le ressort 31. En meme temps que l'anneau 19 de réception descend, l'orifice 21 du tuyau 20 d'aspiration se déplace latéralement sous l'effet des mouvements articulés de la barre supérieure 23 et de la barre inférieure 24 et, par suite de la rotation de la colonne 1 de forage, l'orifice 21 d'aspiration se déplace également en suivant une spirale. Ainsi, la terre et le sable excavés sont aspirés et éliminés totalement, de même que la boue, ce qui achève l'excavation du trou de pieu à fond élargi. Lorsque l'excavation souhaitée est finie, l'anneau 5 de poussée est élevé au moyen du vérin hydraulique 9 pendant que la colonne 1 de forage continue de tourner et que l'outil 3 d'élargissement est remonté au moyen de la tige 6. A ce moment, l'anneau 19 de réception est poussé vers le haut, en mëme temps que l'anneau 5 de poussée s'élève, par la force de rappel du ressort 31, et le tuyau 20 d'aspiration est déplacé vers la partie centrale axiale en meme temps qu'il aspire la boue du fond du trou de pieu, et il revient ainsi dans sa position initiale. L'anneau 5 continue d'être poussé vers le haut et le retour de l'outil 3 dans sa position de départ est détecté par le dispositif 11. La pression hydraulique est alors arrêtée. Selon l'invention, lorsque l'outil d'élargissement est déplacé radialement vers l'extérieur le long du guide 8, il est possible d'excaver un trou de pieu de diamètre agrandi, exactement aux mesures demandées. De plus, ces mesures peuvent être déterminées au moyen d'un dispositif de détection placé au sol, et la terre et le sable excavés par l'outil 3 d'élargissement sont évacués par le tuyau 20 d'aspiration. En faisant pivoter radialement ce tuyau d'aspiration, la boue restante peut être aspirée et remontée en totalité et, par conséquent, un balayage du fond du trou est effectué avec précision, de sorte que le trou de pieu à fond élargi peut être totalement rempli de béton sans risque de mélange avec de la boue, ce qui permet d'appliquer la charge demandée au tronçon extrême supérieur d'un pieu. La description précédente porte sur le procédé d'excavation de trous de pieux à fond élargi, ce procédé consistant d'abord à excaver la terre et le sable uniquement au moyen d'un outil d'excavation, puis à faire descendre les outils d'élargissement du fond jusqu'à l'extrémité inférieure du trou de pieu, afin d'élargir la partie extrême inférieure de ce trou, comme montré sur la figure lc. Cependant, le profil en coupe longitudinale du trou de pieu pouvant être excavé au moyen de la machine et du procédé selon l'invention n'est pas limité à celui montré sur la figure lc, mais l'invention permet d'obtenir des profils analogues à ceux représentés sur les figures la, lb et ld. La figure la montre le profil longitudinal d'un trou de pieu pouvant être excavé uniquement au moyen d'un outil d'excavation. La figure lb montre le profil longitudinal d'un trou de pieu de diamètre R2, pouvant être excavé en empêchant les outils d'élargissement de se déplacer sur le guide 8 après qu'ils ont été placés en position convenable sur ce guide 8. Dans ce cas, il est possible de choisir librement le diamètre du pieu. La figure ld montre le profil longitudinal d'un trou de pieu dont le tronçon supérieur présente un diamètre agrandi et dont le fond est élargi.A cet effet, les outils d'élargissement du fond sont maintenus en position basse afin d'excaver un trou de diamètre agrandi, puis ils sont tirés vers le haut jusqu'à la profondeur souhaitée. L'excavation est ensuite poursuivie à un plus faible diamètre, et les outils d'élargissement sont finalement abaissés de nouveau pour excaver le fond élargi du trou du pieu. Etant donné que le trou de pieu ainsi excavé présente un plus grand diamètre à sa partie supérieure, lorsqu'une force extérieure horizontale agit sur une structure supportée par le pieu, par exemple lors d'un tremblement de terre, la résistance à un moment de flexion engendré dans le pieu est grande et, de plus, étant donné que la partie inférieure du pieu présente une plus grande surface résistant aux forces verticales par suite de l'élargissement du fond, le pieu peut supporter une charge verticale importante. De plus, étant donné que la partie intermédiaire du pieu est de plus faible diamètre que la partie supérieure et que la partie inférieure, la quantité de béton demandée est inférieure à celle qui serait demandée pour un pieu pouvant supporter les mêmes charges horizontales et verticales. I1 en résulte une diminution du coût de construction du pieu réalisé par le procédé de l'invention. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la machine décrite et représentée sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Machine d'excavation d'un trou de pieu de diamètre demandé au moyen d'un outil (2) d'excavation fixé au tronçon extrême inférieur d'une colonne rotative (1) de forage, et de stabilisation de la paroi du trou par remplissage du trou excavé avec une suspension, caractérisée en ce qu'elle comporte une colonne rotative (1) de forage, des outils (3) d'élargissement destinés à excaver un trou de pieu (R3) d'un diamètre supérieur à celui du trou (Rî) excavé par l'outil d'excavation, ces outils (3) d'élargissement pouvant glisser sous l'action d'un dispositif de commande tel qu'un vérin (9), le long d'un guide (8) monté sur la partie inférieure de la colonne de forage et incliné d'un angle déterminé, la machine comportant également un tuyau (20) d'aspiration destiné à aspirer vers le haut et décharger la boue, la terre et le sable excavés par les outils d'excavation et d'élargissement, ainsi que la suspension, et un dispositif destiné à déplacer le tuyau d'aspiration dans une direction radiale, en même temps qu'il tourne, le long du fond du trou excavé, afin que le tuyau aspire vers le haut et élimine en totalité la boue déposée sur le fond du trou. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un dispositif de commande tel qu'un vérin hydraulique (9) est utilisé pour déplacer radialement, en même temps qu'il tourne le long du fond du trou excavé, le tuyau d'aspiration qui aspire vers le haut et décharge la boue, la terre, le sable et la suspension. 3. Procédé d'excavation d'un trou de pieu de diamètre demandé au moyen d'un outil (2) d'excavation fixé au tronçon extreme inférieur d'une colonne rotative (1) de forage, et de stabilisation de la paroi du trou par remplissage de ce dernier avec une suspension, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à excaver un trou de pieu (R1) de diamètre choisi et de forme demandée au moyen d'outils (3) d'élargissement conçus pour pouvoir coulisser le long d'un guide (8) disposé sur la partie inférieure de la colonne rotative de forage et incliné d'un angle déterminé, et à aspirer vers le haut et décharger la boue, la terre et le sable excavés par les outils, ainsi que la suspension, au moyen d'un tuyau (20) d'aspiration fixé à la colonne rotative de forage. 4. Procédé d'excavation d'un trou de pieu de diamètre demandé au moyen d'un outil (2) d'excavation fixé au tronçon extrême inférieur d'une colonne rotative (1) de forage, et de stabilisation de la paroi du trou par remplissage de ce dernier avec une suspension, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à excaver, dans la terre et le sable, jusqu'à une profondeur déterminée, un trou (R1) de pieu à fond élargi en maintenant des outils (3) d'élargissement en position haute, puis à faire descendre les outils d'élargissement suivant un guide (8) afin d'excaver un trou (R3) à fond élargi, de forme demandée, puis à aspirer vers le haut et décharger la terre, le sable et la boue excavés et déposés sur le fond du trou, au moyen d'un tuyau (20) d'aspiration fixé à la colonne rotative de forage. 5. Procédé d'excavation d'un trou de pieu de diamètre demandé, au moyen d'outils (2) d'excavation fixés au tronçon extrême inférieur d'une colonne rotative (1) de forage, et de stabilisation de la paroi du trou par remplissage de ce dernier avec une suspension, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à excaver d'abord un trou de pieu (R4) de diamètre agrandi, jusqu a la profondeur demandée, en maintenant des outils (3) d'élargissement en position basse, à tirer vers le haut les outils d'élargissement et excaver un trou (R1) de diamètre réduit, jusqu'à la profondeur demandée, à faire descendre les outils d'élargissement le long de guides (8) et excaver un fond de trou (R3) de diamètre agrandi, afin de produire ainsi un trou de pieu présentant un plus grand diamètre à l'extrémité supérieure et au fond du pieu, et finalement à aspirer vers le haut et décharger totalement la terre, le sable, la boue et la suspension excavés par les outils et déposés sur le fond du trou, au moyen d'un tuyau (20) d'aspiration fixé à la colonne rotative de forage. 6. Procédé pour excaver un trou de pieu de diamètre demandé au moyen d'outils d'excavation fixés au tronçon extrême inférieur d'une colonne rotative (1) de forage, et pour stabiliser la paroi du trou par remplissage de ce dernier avec une suspension, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste d'abord à excaver un trou de pieu (R2) jusqu'à une profondeur déterminée, en maintenant des outils (3) d'élargissement en position haute, puis à faire descendre les outils (3) le long de guides (8) et à détecter l'amplitude du mouvement des outils (3) d'élargissement au moyen d'un dispositif (11) de détection, par exemple un câble, relié à ces outils d'élargissement et s'élevant jusqu'au sol, ou bien au moyen d'un dispositif de mesure d'une quantité de liquide fournie à un cylindre, le procédé consistant enfin à aspirer vers le haut et décharger la terre, le sable et la boue excavés par les outils et déposés sur le fond du trou, au moyen d'un tuyau (20) d'aspiration fixé à la colonne rotative de forage. 7. Procédé pour excaver un trou de pieu de diamètre demandé au moyen d'outils (2) d'excavation fixés au tronçon extrëme inférieur d'une colonne rotative (1) de forage, et pour stabiliser la paroi du trou par remplissage de ce dernier avec une suspension, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à excaver un trou de pieu (R1) jusqu'à la profondeur déterminée, en maintenant des outils (3) d'élargissement en position haute, puis à faire descendre les outils d'élargissement le long de guides (8) et excaver un trou de pieu à fond élargi (R3), de forme demandée, et, enfin, à aspirer vers le haut et décharger la terre, le sable et la boue excavés par les outils et déposés sur le fond du trou, au moyen d'un tuyau (20) d'aspiration qui peut etre déplacé en même temps que les outils d'élargissement sont abaissés.