Brevet FR2613438A1 — publié le 19881007

PERFECTIONNEMENT A UN BOULON DE SOUTENEMENT EXTENSIBLE ET METHODE DE SOUTENEMENT La présente invention concerne un perfectionnement à un boulon de soutènement extensible, et la méthode de soutènement utilisant le boulon. Les boulons de soutènement extensibles ou à géométrie variable sont destinés à consolider les terrains, plus particulièrement à soutenir la voûte (le toit des galeries dans les mines et ouvrages souterrains). D'autres applications de ce type de boulons peuvent être également des ouvrages à ciel ouvert, tels que des murs, etc... Il est connu d'utiliser des boulons de soutènement extensibles pour la fixation par scellement dans un forage, tels que ceux définis dans la demande de brevet française 86 09 089 du 24 juin 1986 déposée au nom des Forges et Boulonneries d'Ars-sur-Moselle. Ce type de boulons de soutènement extensibles est constitué d'une tige comportant à une de ses extrémités une partie renflée qui se trouve entourée, sur une certaine longueur, d'un tube en matériau déformable. La partie du tube en matériau déformable est ancrée dans la zone de terrain stable pour permettre, par glissement de la partie renflée à l'intérieur du tube en matériau déformable l'extension du boulon sur une certaine longueur. Cette extension se produit lorsque les couches de terrain instables appuient sur une plaque de maintien qui ellemême est en appui sur un écrou de solidarisation au boulon. Ce type de boulon extensible présente l'inconvénient majeur de faire supporter toute la contrainte par la plaque de soutènement qui est en appui contre l'écrou vissé sur le boulon. Cette sollicitation peut provoquer le cisaillement de la plaque. Le perfectionnement de la présente invention a pour but de pallier cet inconvénient en proposant un boulon de soutènement extensible qui permette de diminuer les risques de cisaillement de la plaque de support des zones instables du terrain. Ce but est atteint par le fait que le boulon de soutènement extensible pour la fixation par scellement dans un forage pratiqué dans un terrain comprenant une zone stable et une zone instable, ledit boulon étant constitué d'une tige filetée à une première extrémité et d'un écrou vissé sur cette extrémité filetée, d'une forme particulière sur une deuxième extrémité de la tige permettant la rupture d'une capsule de scellement enfoncée dans le forage, la forme particulière de la deuxième extrémité de la tige se raccordant à la tige par une partie cylindrique de diamètre supérieur au diamètre interne d'un tube de matière déformable entourant cette extrémité et une partie de la tige sur une longueur inférieure à la longueur de la tige, est caractérisé en ce qu'une zone de la tige située entre sa partie filetée et sa deuxième extrémité devant être ancrée dans les couches stables du forage est entourée du tube en matière déformable, et en ce qu'une zone de la tige située entre la partie filetée et l'extrémité du tube de matière déformable est scellée directement sur la zone instable de terrain. Un autre but de l'invention est d'améliorer l'ancrage du boulon sur la zone instable de terrain. Ce but est atteint par le fait que le boulon comporte, entre la zone d'extrémité du tube de matière déformable et la zone du pas de vis de la tige, des zones de surépaisseur du profil améliorant l'ancrage de la résine de scellement. Selon une disposition avantageuse, ces zones de surépaisseur comportent un filetage. Un autre but de l'invention est de proposer un boulon de soutènement extensible qui soit également utilisable dans les terrains dont on ne connait pas exactement la délimitation entre la zone stable et la zone instable. Ce but est atteint par le fait que le boulon comporte une bague coulissante , d'une part entre le tube de matière déformable et, d'autre part, entre une première zone de surépaisseur. Un autre but de l'invention est de proposer un boulon extensible sur une certaine course et un ancrage rigide à la fin de cette course. Ce but est atteint par le fait que le boulon de soutènement extensible comporte un manchon métallique composé d'un cylindre fendu ou de deux demi-cylindres rendus solidaires de la tige du boulon afin de produire un scellement rigide du boulon en fin d'extension. Selon une autre disposition avantageuse, le tube de matière déformable présente une surface crénelée disposée, soit en hélice, soit selon des plans perpendiculaires à l'axe de symétrie de la tige. Selon une autre caractéristique, la résistance mécanique à la compression du tube en matériau déformable , est inférieure à la résistance mécanique à la compression de la résine de scellement. Un dernier but de l'invention est de proposer une méthode de soutènement extensible. Ce but est atteint par le fait que la méthode comprend les étapes suivantes - forage d'un trou de dimension appropriée; - introduction d'une capsule de scellement dans le forage, la capsule comprenant dans des compartiments différents destructibles les composants nécessaires à la prise du ciment de scellement organique ou inorganique; - introduction dans le trou de forage d'un boulon selon l'invention en provoquant sa rotation pour assurer la rupture de la capsule; - scellement, d'une part directement sur le tube en matériau déformable entourant le boulon, et d'autre part sur la zone de la tige située entre le tube de matériau déformable et l'extrémité filetée. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description ci-après d'un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif, et décrit en liaison avec les figures ci-après dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue en coupe du boulon extensible perfectionné, à ancrage rigide en fin de course; - la figure 2 représente une vue en coupe du boulon extensible perfectionné, à ancrage non rigide en fin d'extension. Le boulon perfectionné selon l'invention, est constitué, comme représenté à la figure 1, d'une tige (1) filetée à une extrémité et usinée à l'autre extrémité (10). L'extrémité usinée (10) est séparée de l'extrémité filetée par une tige de longueur L . La partie usinée (10) a un diamètre supérieur au diamètre de la tige de longueur L. Cette tige de longueur L est raccordée à l'extrémité usinée (10) par une portion conique (11). L'extrémité usinée (10) est pourvue par exemple d'un biseau (12) qui, comme on le verra par la suite, permet la rupture des capsules de scellement. Il est bien évident que ce biseau peut être remplacé par tout autre forme remplissant la même fonction. Cette forme peut, par exemple, être une pointe (120) telle que celle représentée à la figure 2. Un tube de matière déformable (4) crénelé ou pas sur sa surface extérieure entoure la tige (1) et une partie de l'extrémité usinée (10) du boulon. La longueur du tube de matière déformable (4) est telle que la distance (A) séparant la portion conique raccordée à la tige (1) de l'extrémité du tube (4) entourant la tige (1) correspond à la distance d'extension maximum que l'on souhaite pour le boulon.Le boulon représenté à la figure 1 étant un boulon extensible à ancrage rigide en fin de course, comporte, comme on peut le voir sur la figure 1, un manchon métallique (5) composé soit d'un tube cylindrique fendu ou de deux demi-cylindres rendus solidaires par une soudure ou tout autre moyen (7) de la tige (1)du boulcn.Ce manchon (5) est soudé à une distance (A) de la partie conique (11) du boulon, distance qui correspond à l'extension maximale. La liaison (7) du manchon métallique sur la tige (1), est étudiée pour cèder dès que le boulon subit des pressions supérieures à 2 ou 3 tonnes. La partie de la tige (1) qui ne se trouve entourée ni par le tube de matériau déformable (4) ni par le manchon métallique (5) et correspondant å la zone de tige devant se trouver dans la zone instable de terrain, comporte, comme on peut le voir à la figure 1, un premier renflement ou zone de surépaisseur (141) supportant à sa périphérie un filetage, ou des nervures, ou gorges d'orientation permettant un bon ancrage du matériau de scellement (8) sur cette partie (141). Cette première zone est suivie d'une ou plusieurs zones de surépaisseur (142) disposées à proximité de la partie filetée (13) de la tige (1).Ces zones (142) sont également de diamètre supérieur au diamètre de la tige (1) et comportent leur périphérie soit un filetage, soit des nervures ou -gorges. Le scellement d'une des deux variantes du boulon s'effectue dans le trou de forage (9) au fond duquel on a préalablement disposé une capsule de scellement (2) dont le volume de ciment permet le scellement de l'ensemble du boulon dans la zone stable (90) aussi bien que dans la zone instable (91) du terrain. Ainsi, comme on peut le voir à la figure 1, une fois le scellement effectué dans le terrain de la façon indiquée , le tube (4) de matériau déformable et l'anneau d'ancrage rigide sont solidaires du matériau de scellement dans la zone de terrain stable, tandis que les parties en surépaisseur (141), (142) de la tige sont solidaires du matériau de scellement situé dans la zone de terrain instable (91).De cette façon, lorsqu'il y a désolidarisation d'une partie de la zone de terrain instable (91), la partie qui s'est désolidarisée étant liée mécaniquement par le matériau de scellement à la tige (1), le matériau de scellement situé au-dessus de la zone de désolidarisation (8) va se rompre et des micro-ruptures vont se propager successivement en direction de la partie de la tige qui est ancrée dans la zone de terrain stable. A partir de ce moment-là, le boulon va avoir tendance à glisser dans la gaine du tube (4) sous l'effort des pressions exercées par la zone instable (91) de terrain. Par la suite, l'utilisation et le fonctionnement du boulon est identique à celle décrite dans le brevet cité plus haut et la partie renflée (10) du boulon glisse dans le tube (4) jusqu'au moment ou elle rencontre l'anneau d'ancrage rigide (5). L'avantage du scellement de la zone instable (91) de terrain sur la partie inférieure de la tige du boulon comportant les surépaisseurs (141),(142) est constitué par le fait que les forces de traction ou de pression provoquant l'extension du terrain ne s'appliquent pas uniquement sur la plaque (3) de soutènement de la zone instable, mais sont également réparties sur les zones de surépaisseur (141),(142) de la tige par le matériau de scellement. Ceci permet donc d'éviter le cisaillage de la plaque (3). Par suite, lorsque le scellement est effectué, le boulon est solidaire de la zone stable de terrain par un tube déformable et des zones instables (91) par les filetages (141),(142). Lorsque, par suite des mouvements de terrain, les pressions appliquées par la plaque (3) et les parties filetées (141),(142) sur le boulon atteignent une certaine valeur (2 à 3 tonnes), la liaison (7) du manchon métallique (5) cède. Les pressions appliquées sur la tige continuent à croître et lorsqu'elles atteignent une certaine valeur (par exemple 10 tonnes), la partie usinée (10) comprime, tout en le déformant, le tube de matière déformable (4) offrant une résistance constante jusqu'à l'extension maximum qui est fonction de la distance A.Cette déformation est rendue possible par le fait que la résistance mécanique du tube (4) à la compression est inférieure à la résistance mécanique à la compression de la résine de scellement (8). Lorsque par suite de la déformation du terrain, la partie conique (11) se trouvant à proximité de la partie usinée (10) vient en contact avec le manchon métallique (5), ce dernier ayant une résistance mécanique bien supérieure à celle du tube de matière déformable (4), va provoquer l'ancrage rigide du boulon dans la zone stable (90) de terrain par effet de coin. La figure 2 représente une deuxième variante d'un boulon extensible se différenciant du boulon de la figure 1 par le fait qu'il ne comprend pas le manchon (5) d'ancrage rigide qui est remplacé par une bague coulissante (50) en appui à une de ses extrémités avec une partie filetée (141) et à l'autre extrémité avec le tube en matériau déformable (4). Dans la variante de la figure 2 le phénomène d'ancrage rigide, provoqué par l'anneau d'ancrage (5) ne se produira pas en fin d'extension. Par ailleurs, dans cette variante, la bague coulissante (50) permet le fonctionnement du boulon extensible dans un terrain pour lequel on ne connait pas exactement la zone de la limite de séparation entre la zone de terrain stable (90) et la zone de terrain instable (91). Ceci permet d'éviter d'ancrer, de façon non extensible, une partie de la tige du boulon sur une zone qui pourrait être stable. La zone de propriété indéfinie est représentée sur la figure 2 par la référence (92). Dans les variantes des figures 1 et 2, la surface externe du tube de matière déformable (4) peut être crénelée suivant une forme hélicoidale de façon à être assimilée à un pas de vis de sens inverse à celui du sens de rotation du boulon. On a ainsi défini un boulon extensible permettant de limiter les efforts de cisaillement sur la plaque (3) de support et pouvant être utilisé dans un terrain dont on ne connait pas très bien les limites de séparation entre les zones stables et instables. Il est bien évident que la bague coulissante (50) peut également être montée sur la variante de réalisation à ancrage rigide représentée à la figure 1. Pour plus de détails sur la méthode de scellement et de soutènement, on pourra se référer à la demande de brevet française 86 09 089 du 24 juin 1986. D'autres modifications à la portée de l'homme de métier font également partie de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1) Boulon de soutènement extensible pour la fixation par scellement dans un forage d'un terrain comprenant une zone stable (90) et une zone instable (91), ledit boulon étant constitué d'une tige filetée (1) à une première extrémité et d'un écrou (2) vissé sur cette extrémité filetée (13) d'une forme particulière (120) sur une deuxième extrémité de la tige (1) permettant la rupture d'une capsule de scellement enfoncée dans le forage (9) du terrain, la forme particulière (120) de la deuxième extrémité de la tige se raccordant à la tige (1) par une partie cylindrique (10) de diamètre D supérieur au diamètre interne d'un tube (4) de matière déformable entourant cette extrémité et une partie de la tige (1) sur une longueur inférieure à la longueur de la tige, caractérisé en ce qu'une zone de la tige (1) située entre sa partie filetée (13) et sa deuxième extrémité (10) devant être ancrée dans les couches stables (90) du forage (9) est entourée du tube (4) en matière déformable et en ce qu'une zone de la tige (1) située entre la partie filetée (13) et l'extrémité du tube (4) est scellée directement sur la zone instable (91) du terrain. 2) Boulon de soutènement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la résistance mécanique, à la compression, du tube de matière déformable (4) est inférieure à la résistance mécanique, à la compression, de la résine de scellement (8). 3) Boulon selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte entre la zone d'extrémité du tube de matière déformable (4) et la zone de filetage (13) une seule ou plusieurs zones de surépaisseur (141), (142) de profil améliorant l'ancrage de la résine de scellement (8). 4) Boulon selon la revendication 3, caractérisé en ce que les zones de surépaisseur (141),(142) comportent également un filetage. 5) Boulon selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte une bague coulissante (50) entre le tube de matière déformable (4) et une zone de surépaisseur (141). 6) Boulon selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un manchon métallique (5) composé d'un cylindre fendu ou de deux demi-cylindres est rendu solidaire de la tige (1) afin de produire un scellement rigide du boulon en fin d'extension. 7) Boulon selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube (4) de matière déformable présente une surface crénelée suivant des plans perpendiculaires à l'axe de symétrie de la tige. 8) Boulon selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube (4) de matière déformable présente une surface crénelée suivant une trajectoire hélicoidale. 9) Méthode de soutènement extensible comprenant les étapes suivantes - forage d'un trou (9) de dimension appropriée; - introduction d'une capsule de scellement dans le forage (9), la capsule comprenant dans des compartiments différents destructibles les composants nécessaires à la prise du ciment de scellement organique ou inorganique; - introduction dans le trou de forage (9) d'un boulon, selon une des revendications précédentes, en provoquant sa rotation pour assurer la rupture de la capsule, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de scellement se produisant d'une part directement sur le tube (4) en matériau déformable entourant ce boulon et, d'autre part, sur la zone de la tige située entre le tube (4) de matériau déformable et l'extrémité filetée (13).