Brevet FR2579645A1 — publié le 19861003

L'invention concerne le fonçage par vibrations de piles, et plus particulièrement un procédé et un appareil pour améliorer la vibration d'une pile foncée par résonance. Dans le fonçage par vibrations de piles, cotme décrit, par exemple, dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 3 291 227 et dans la demande de brevet des Etats Unis d'Amérique n 2195, il est mentionné l'utilisation de l'énergie acoustique pour foncer de façon efficace des piles dans des formations de terrains. Dans les systèmes décrits dans le brevet et la demande précités, un oscillateur à masse orbitrale est utilisé pour faire vibrer de façon réson- nante le tubage. Il est apparu que, dans certains cas de fonçage de piles o des tubages ou tubes à extrémités ouver- tes sont utilisés, une carotte étroite de terrain fortement comprimée se loge à l'intérieur du tubage, en particulier à son extrémité inférieure. La masse de cette carotte impose au système vibrant par résonance, une charge d'impédance de masse à couplage par frottement (résistif), qui affecte le cycle de vibrations de la pile. La charge de cette carotte agit donc à la manière d'un amortisseur à frottement sur le sys- tème vibrant, abaissant sensiblement le facteur "Q" effec- tif du système à vibration résonnante. En outre, la ca- rotte devient de plus en plus dense sous l'effet de l'éner- gie vibratoire du fait de la fluidisation du terrain. Cette carotte de matériau dense,lourd, impose une charge iner- tielle à la pile, qui, non seulement, est de la nature du frottement, mais qui, également, présente une réactance de masse au système vibrant, ayant pour résultat un effet de traînée ou de "retard de phase" pouvant être assimilé à l'effet d'une inductance dans un circuit électrique comme indiqué ci-après. Ce problème pourrait évidemment être évité en empêchant la carotte d'entrer dans le tubage, en pre- mier lieu en refoulant de l'eau dans le sommet du tubage. Une telle accumulation de liquide autour d'une pile pour- rait produire des effets indésirables tels que la communi- cation de couches de fluide de terrain indésirables avec des puits d'eau. Le système selon l'invention s'oppose à ces- effets nuisibles en introduisant une mousse liquide ou une matière gazeuse dans l'extrémité inférieure du tubage afin que des bulles de gaz se mélangent à tout matériau de terrain, formant la carotte, pouvant être présent. Ceci apporte une certaine élasticité acoustique à la masse du matériau de la carotte et s'oppose efficacement à l'effet d'amortissement acoustique de ce matériau sur le système à vibration résonnante. Dans une forme préférée de réali- sation de l'invention, ce fluide introduit peut se présen- ter typiquement sous la forme d'air comprimé mélangé à de l'eau savonneuse. Cette mousse est introduite à l'inté- i5 rieur du bas de la pile de toute manière comorde, généralement au moyen d'ouvertures formées dans le tubage de la pile, à partir d'un collecteur ou sabot annulaire, qui est fix au bas du tubage par des moyens convenables, par exemple par sou- dage. La mousse est fournie au collecteur ou sabot au moyen d'un tuyau ou d'un tube qui s'étend jusqu'à la surface. La mousse ainsi introduite, non seulement ré- duit les effets de frottement, mais elle réduit aussi,de façon efficace, la réactance de masse de la carotte en in- troduisant une élasticité en parallèle afin que la carotte tende moins à induire un "retard de phase* dans la vibra- tion de la pile. De plus la vitesse de l'énergie acousti- que dans le matériau de la carotte est réduite du fait de la présence de la mousse qui tend à établir une isolation efficace,vis-à-vis des vibrations, entre la carotte et le système vibratoire, minimisant ainsi la dissipation d'éner- gie dans celui-ci. Il est apparu des plus utile d'analyser le fonc- tionnement de l'invention en établissant une analogie du circuit de vibration acoustique utilisé avec un circuit électrique équivalent. Ce mode d'approche pour l'analyse est bien connu de l'homme de l'art et est 'décrit, par exem- ple, dans le chapitre 2 de "Sonics" par Heueter et Bolt, pu- blié en 1955 par John Wiley and Sons. Dans cette analogie, on assimile une force F à une tension électrique E, la vitesse de vibration w à un courant électrique I, l'élas- ticité mécanique Cm à une capacité électrique Ce, la masse M à une inductance électrique L, la résistance mécanique. (frottement) Rm à une résistance électrique R et l'impé- dance mécanique Zm à une impédance électrique Ze. On peut donc voir que, si un système est mis en vibration au moyen d'une force sinusoidale acoustique Fo sinut (wétant égal à la fréquence de vibration multipliée par 2 1), de façon que: m=Rm+K W M - 1/w Cm) = F sin uW t/u (1) o w M est égal à 1/u; Cm il existe une condition de ré- sonance, et 1' impédance mécanique efficace Zm est égale à la résistance mécanique Rm, les composantes d'impédance réactive WM et l/ WC s'annulant mutuellement. Dans une telle condition de résonance, la vitesse de vibration h est maximale, le facteur de puissance est égal à 1 et l'énergie est transmise plus efficacement à une charge à la- quelle le système résonnant peut être couplé. On peut égale- ment montrer que la fréquence de vibration en résonance "F" du système ( W étant égal à 21YT), est comme suit: F=1/2 1? m - Il est important de noter l'importance de l'ob- tention d'un facteur "Q" acoustique élevé dans le système résonnant commandé, pour accroître l'efficacité de la vibration et délivrer une puissance maximale. De même que pour un circuit électrique équivalent, "Q" est défini comme étant la finesse de sa résonance et est représentatif du rapport de l'énergie emmagasinée dans chaque cycle de vi- bration à l'énergie utilisée dans un tel cycle. Le facteur "Q" est mathématiquement assimilé au rapport de cOM à Rm Ainsi, le facteur "Q" efficace du circuit vibrant peut être élevé au maximum pour l'obtention d'une vibration d'ampli- tude élevée, très efficace, par une minimisation de l'effet de frottement dans le circuit. La présente invention vise à maximiser le facteur "Q" en abaissant l'amortissement acous- tique présenté par la carotte, qui résulte des effets combi- nés de la grande impédance du noyau formé par la carotte, en contact de frottement avec la paroi intérieure du tubage. L'invention a donc pour objet d'abaisser la résis- tance efficace Rm imposée au bas d'une pile, qui tend à ré- duire le facteur "Q" de la vibration résonnante du système. Un autre objet de l'invention est de réduire l'effet normal d'impédance de masse du terrain formant le noyau de la carotte en dispersant des bulles de gaz, par exemple au moyen d'une mousse ou analogue, entre les grains du noyau afin d'introduire ainsi une élasticité en parallèle pour contrebalancer l'impédance de masse. L'invention a pour autre objet de perfectionner le fonçage par vibrations de piles dans un terrain. L'invention a également pour objet d'abaisser l'impédance ou traînée cyclique,imposée par le matériau de terrain formant une carotte, à une pile foncée par vibra- tions, afin d'améliorer-l'action de fonçage. L'invention sera décrite plus en détails en re- gard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limita- tif et sur lequel: - la figure 1 est une élévation, avec coupe par- tielle, d'une forme préférée de réalisation de l'invention; et - la figure 2, est une coupe transversale sui- vant la ligne 2-2 de la figure 1. En référence à présent au dessin, une pile 11, se présentant sous la forme d'un tubage ayant généralement un diamètre d'environ 25 cm et une longueur de 12 à 18 m, est foncée par vibrations,comme décrit dans le brevet ou la demande précitée, en étant soumise à une vibration résonnante acoustique qui engendre, dans le tubage, une configuration en ondes stationnaires, comme indiqué par le diagramme 15 de forme d'ondes de vitesse. Un système appro- prié pour l 'introduction de bulles de gaz peut comporter un sabot 14 de forme cylindrique, soudé sur le bas du tubage 11. Le sabot 14 forme un canal concentrique 14 entourant le bas du tubage. De la mousse ou une matiè- re gazeuse est introduite dans ce canal par un conduit 16 qui s'étend jusqu'à la surface, le long de l'extérieur du tubage. Un tuyau 19, qui peut être en matière flexible, est bridé entre un tube rigide 18 et le conduit 16, au moyen de colliers 20 de tuyau. Le tube 18 est soudé au sabot 14 autour d'une ouverture 14b de ce sabot afin de constituer une entrée pour la mousse dans le canal con- centrique 14a. La mousse passe du canal concentrique 14a dans des ouvertures 11a formées autour de l'extrémité in- férieure du tubage 11. Un raccord 21 d'écoulement de- sortie, en col de cygne, est soudé au tubage ou à une bri- de du tubage, à proximité de son extrémité supérieure, afin de permettre à la mousse et au matériau de la carotte de s'écouler du tubage. La mousse peut être formée par de - l'air camprimé et elle peut également comprendre de l'eau et du savon. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au procédé et à l'appareil décrits et représentés-sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour réduire l'impédance acousti- que présentée au fonçage par vibrations d'une pile (11) dans le sol, l'impédance acoustique étant due à une ca- rotte formée par le matériau du terrain et loaée dans l'extrémité inférieure ouverte de la pile, le procédé étant caracté- risé en ce qu'il consiste à soumettre la pile à une vi- bration acoustique pour la faire pénétrer dans le ter- rain, et, pendant que la pile est foncée par vibrations, à mélanger une mousse à bulles de gaz au matériau de la carotte afin d'abaisser efficacement l'impédance acousti- que opposée par le matériau à l'énergie acoustique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la mousse est mélangée au matériau de la carotte au moyen d'un canal concentrique (14a) entourant le bas de la pile, des ouvertures (11a) étant formées dans la paroi de la pile, en face du canal concentrique, et une matière à l'état de mousse étant introduite dans le canal concen- trique pour être dispersée par les ouvertures dans le maté- riau de la carotte. 3. Procédé selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que la mousse à bulles de gaz est formée par l'introduction d'air comprimé dans un liquide. 4. Appareil de fonçage de piles, destiné à foncer par vibrations une pile tubulaire (11), ayant une extrémité inférieure ouverte, dans une formation de ter- rain, l'appareil étant caractérisé en ce qu'il comporte des moyens destinés à abaisser l'impédance opposée à l'action de fonçage par vibrations par le matériau de ter- rain constituant la carotte logée dans l'extrémité infé- rieure ouverte, ces moyens comprenant un sabot cylindrique (14)fixé au bas de la pile, concentriquement à celle-ci, et formant un canal concentrique (14a) autour de la pile, cette dernière présentant des ouvertures (11a) formées au- tour de son extrémité inférieure et établissant une commu- nication de fluide entre le canal concentrique et le maté- riau du terrain constituant la carotte, des moyens étant déstinés à introduire une matière à l'état de mousse dans le sabot, afin que cette matière se mélange au matériau de la carot- te pour abaisser l'impédance qu'elle oppose au fonçage par vibrations. 5. Appareil selon la revendication 4, caractéri- sé en ce que le sabot est monté fixement sur la pile. 6. Appareil selon la revendication 4, caractéri- sé en ce que les moyens destinés à introduire une matière à l'état de mousse dans le sabot comprennent un tube (18) monté fixement sur le sabot et un tuyau (16, 19), relié au tube. 7. Appareil selon la revendication 4, caractéri- sé en ce que la matière à l'état de mousse comprend de l'air il comprimé mélangé à un liquide.