Brevet FR2648839A1 — publié le 19901228

Pieux de fondation, procédés. outils et machines pour la construction desdits pieux. DESCRIPTION La présente invention a pour objet de nouveaux pieux de fondation ainsi que des procédés. des outils et des machines pour la construction de ces pieux. Le secteur technique de l'invention eat celui de la construction des pieux destinés à servir de fondation pour des ouvrages courants. Dans le domaine des fondations sur pieux courantes. c'est-à-dire des pieux devant supporter des charges comprises entre 400 et 2000 K.N. on utilise à ce jour. deux catégories de pieux. Une première catégorie est celle des micropieux injectés ayant un diamitre inférieur à 200 m. Les micropieux sont obtenus par les techniques de forage utilisées dans les domaines miniers ou pétroliers. Dans une première phase, on creuse un forage avec un trépan et on équipe ce forage d'un tubage perforé. Dans une deuxième phase. on injecte un coulis de ciment à l'intérieur du tubage et ce coulis passe à travers les perforations du tubage et pénètre dans les terrains encaissants. GrAce à cette injection, les micropieux présentent l'avantage d'un très bon frottement entre le pieu et le sol. Par contre, ils présentent l'inconvénient d'une faible inertie. d'o des risques de flambement et une faible résistance aux efforts horizontaux. Il n'est pas envisageable de construire économiquement des pieux ayant un diamètre supérieur à 200 m par les techniques de forage au trépan. ce qui entraînerait la construction d'outils de forage très onéreux. Une deuxième catégorie de pieux courants sont lea pieux traditionnels battus et moulés ayant un diamètre supérieur ou égal à 0.4. On connalt une machine, utilisée pour la construction de pieux traditionnels, qui comporte une tarière verticale et qui est déplacée le long d'un ait vertical et qui est entraînée en rotation & vitesse lente, de sorte qu'elle pénètre dans le sol comme un tire-bouchon. Une fois la tarière enfoncée jusqu'au niveau du fond d'un pieu. on tire vers le haut avec des vérins tout en envoyant un coulis de béton à travers l'arbre creux de la tarière. A mesure que la tarière remonte, elle entraîne avec elle une carotte cylindrique de terrain à la manière d'un tire-bouchon et le vide qui est ainsi créé est rempli de coulis de béton. Cette technique permet d'obtenir des pieux de grand diamètre qui ne risquent pas de flamber. Toutefois, elle présente des difficultés de mise en oeuvre en terrain instable. De plus, comme le béton est coulé en place à mesure qu'on retire la carotte de terrain, il n'est pas possible de contrôler la qualité du remplissage en béton du puits. Les caractéristiques de frottement entre le sol et un pieu traditionnel sont moins bonnes que celles des pieux injectés. Les nombreux désordres intervenus sur des pieux traditionnels ont conduit à exiger des contrôles de qualité et à limiter les contraintes admissibles dans le béton coulé en place à des taux de travail de l'ordre de 5 à 6 MPa, c'est-à-dire moins de la moitié du taux de travail théorique. L'objectif de la présente invention est de procurer de nouveaux pieux de fondation intermédiaires entre les micropieux et les pieux traditionnels, qui cumulent les avantages de ceux-ci, c'est-à-dire qui permettent de mettre en place en cours de creusement un tubage en béton armé ou précontraint collaborant à la force portante du pieu. de le remplir en totalité ou en partie, àl'aide de béton, de coulis de ciment, de sable... d'o élimination des risques d'éboulements ou de cavités dans le matériau de remplissage, d'injecter un coulis de ciment dans les terrains encaissants pour améliorer le frottement latéral et d'obtenir des pieux ayant un diamètre suffisant pour éviter les risques de flambement et des pieux armés qui résistent bien aux efforts horizontaux. Cet objectif est atteint au moyen de pieux de fondation qui comportent: un tubage en béton, composé d'éléments tubulaires en béton armé ou en béton précontraint. ayant un diamètre externe, de l'ordre de 300 à 800 mm et une épaisseur de l'ordre de 80 à 150 am, lesquels éléments comportent des canaux radiaux - et si nécessaire un coulis de ciment qui forme une ame coulée sur une partie au moins de l'intérieur dudit tubage et qui est injecté sous pression dans les terrains encaissants à travers lesdits canaux radiaux. Avantageusement, les éléments tubulaires préfabriqués comportent, à leurs deux extrémités, des trous de réservation verticaux et deux éléments superposés sont assemblés bout à bout par des barres de liaison. qui sont engagées dans deux trous se faisant face et qui sont scellées par une résine polymérisable. Un procédé de construction d'un pieu de fondation selon l'invention comporte les opérations suivantes: - on préfabrique en usine des éléments tubulaires en béton armé ou en béton précontraint. ayant un diamètre externe de l'ordre de 300 à 800 mm et une épaisseur de l'ordre de 80 à 100 mm et comportant des canaux radiaux; - on descend un par un lesdits éléments verticalement dans le sol par havage au moyen d'une tarière qui est engagée à l'intérieur des éléments préfabriqués, qui porte à son extrémité un outil de havage escamotable et qui est entraînée en rotation à une vitesse suffisante pour évacuer les déblais: - lorsqu'un élément est entièrement enfoncé dans le sol, on retire la tarière et on dresse un deuxième élément tubulaire sur le premier. puis on redescend la tarière à l'intérieur des deux éléments et on poursuit le havage: - et. lorsque le tubage préfabriqué est en place, on procède soit au remplissate à l'aide de béton, de coulis de ciment, de sable, soit on met en place dans celuici un obturateur gonflable à un niveau intermédiaire et on injecte, dans la zone située à l'intérieur du tubage et au-dessous dudit obturateur, un coulis de ciment qui pénètre dans les terrains encaissants à travers lesdits canaux radiaux pour former un ancrage dans le sol. Un outil pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention comporte un arbre vertical qui est entralné en rotation par une table de rotation mobile le long d'un m*it vertical et qui porte une vis hélicoïdale formant une tarière, et ledit arbre porte à son extrémité, un outil de havage repliable, qui s'inscrit en position repliée à l'intérieur d'un cercle ayant un diamètre inférieur au diamètre interne desdits éléments tubulaires préfabriqués et qui a, en position de travail, un diamètre externe supérieur au diamètre externe desdits éléments tubulaires préfabriqués. Selon un mode de réalisation préférentiel. l'outil de havage comporte une lame métallique qui est située au-dessous de l'extrémité inférieure de ladite vis hélicoidale et qui pivote autour d'un axe d'articulation vertical excentré par rapport à l'axe de ladite tarière. L'invention a pour résultat de nouveau pieux de fondation ayant un diamètre externe de l'ordre de 300 mm à 800 mm. Les pieux selon l'invention sont intermédiaires entre les micropieux et les pieux traditionnels battus et moulés. Les pieux selon l'invention présentent les avantages suivants: en terrain instable, la tenue des terrains est assurée par les éléments en béton préfabriqué qui font fonction de tubage collaborant. Les pieux selon l'invention peuvent traverser des couches de terrain relativement dures en utilisant un outil de forage comportant des taillants destructifs permettant la traversée de ces terrains. Les éléments tubulaires en béton armé sont préfabriqués en usine et peuvent être précontraints. ce qui assure une bonne fiabilité des qualités du béton. Le remplissage en béton, coulis de ciment. sable... ou coulis injecté sous pression est réalisé à l'abri du tubage perdu. ce qui permet de réaliser un remplissage homogène. Les contraintes de travail admissibles aussi bien dans le tubage préfabriqué que dans le remplissage en coulis de béton sont de 8 MPa. Les pieux selon l'invention permettent d'injecter du coulis de ciment à travers le tubage dans les terrains encaissants et d'obtenir un coefficient de frottement latéral du pieux qui est deux à quatre fois plus élevé que celui des pieux battus ou moulés en place. Il en résulte que les pieux selon l'invention peuvent supporter un frottement unitaire limite identique à celui du micropieux. Les pieux selon l'invention peuvent supporter des efforts horizontaux élevés grice aux armatures du tubage préfabriqué et aux barres de liaison entre éléments tubulaires. Si cela s'avère nécessaire, on peut augmenter la résistance aux efforts horizontaux en ajoutant une armature dans la partie centrale du pieu avant de remplir celle-ci d'un coulis de ciment. Il est même possible d'exercer une précontrainte du pieu au moyen d'un tirant central mis en tension. La description suivante se réfère aux dessins annexés qui représentent. sans aucun caractère limitatif. un exemple de réalisation d'un pieu selon l'invention. La figure 1 est une coupe verticale d'un pieu selon l'invention passant par l'axe zzl de celui-ci. La figure 2 est une vue en élévation d'un chantier de construction d'un pieu selon l'invention. La figure 3 est une coupe verticale à grande échelle de l'extrémité inférieure d'un pieu et de l'outil de forage. La figure 4 est une vue de dessous de l'outil de forage en position de travail et en position repliée. La figure 1 représente un pieu destiné à servi de fondation pour un ouvrage. Ce pieu comporte un tubage I qui est composé d'éléments tubulaires la. lb etc.... en béton armé ou en béton précontraint qui sont préfabriqués en usine. Chaque élément tubulaire a un diamètre extérieur de l'ordre de 400 mn, qui peut varier par exemple entre 300 et 800 mm. une épaisseur de l'ordre de 80 à 150 mm. un diamètre intérieur de l'ordre de 200 à 600 mm et une longueur de l'ordre de 5 à 6 mètres. La figure 1 représente. à titre d'illustration. un pieu comportant deux éléments la. lb superposés. Le nombre d'éléments peut être supérieur. Les éléments la. lb étant préfabriqués en usine. sont fabriqués avec soin et il est possible de calculer la résistance du pieu en prenant en compte 75% du taux maximum de contrainte que le béton armé peut supporter. Les éléments préfabriqués la. lb comportent des petits canaux radiaux 2 qui les traversent de part en part et qui sont répartis sur toute leur hauteur. Les éléments tubulaires la. lb comportent, sur leur bord supérieur et sur leur bord inférieur, des trous de réservation verticaux qui se font face deux à deux lorsque deux élUments sont superposés. On place dans ces trous des barres de liaison 3 en acier à haute résistance que l'on scelle avec une résine polymérisable à prise rapide. Les éléments tubulaires la. lb peuvent être dimensionnés de façon à résister à la totalité de la charge que chaque pieu doit supporter. Dans certains cas, l'on pourra tenir compte de la section centrale remplie de coulis de ciment pour définir la charge que pourra supporter le pieux. Afin d'améliorer le frottement du pieu avec le terrain encaissant et de réduire l'effort qui s'exerce sur l'extrémité inférieure du pieu, chaque pieu comporte. sur une partie de sa hauteur, un coulis de ciment 4 qui remplit l'intérieur du tubage 1 et qui pénètre dans les terrains encaissant en passant à travers les petits canaux radiaux 2. En variante, le tubage 1 peut être rempli de coulis de ciment sur toute sa hauteur. si cela est nécessaire. La figure 2 représente un pieu selon l'invention en cours d'enfoncement d'un premier élément en béton la. On amène sur le chantier o les pieux doivent être établis. les éléments tubulaires la, lb préfabriqués en usine et un matériel de foreçage monté sur un véhicule 5 qui porte un mât 6 représenté en pointillés en position repliée et en traits pleins en position verticale de travail. Le mat 6 a une hauteur totale qui peut correspondre à la hauteur du pieu. Il peut être composé de plusieurs tronçons qui sont mis en place progressivement. Le matériel de fonçage comporte. en outre. un outil comportant un arbre vertical creux 7 qui est entrainé en rotation par une table de rotation 8 mobile le long du mat 6 et qui porte une vis hélicoïdale 9 formant une tarière et, à son extrémité inférieure, un outil de havage 10. Le diamètre externe de la via 9 est inférieur au diamètre interne des éléments préfabriqués la. lb. Pour enfoncer un premier élément préfabriqué la dans le sol, on le pose verticalement sur le sol, puis en engage à l'intérieur de celui-ci la tarière 9 et l'outil de havage 10 qui est en position repliée. Lorsque l'outil 10 arrive au contact du sol. on augmente la vitesse de rotation de la table pour atteindre une vitesse suffisante pour que la tarière évacue les déblais par l'extrémité supérieure de l'élément la. Sous l'effet-de la force centrifuge et du frottement du terrain. l'outil 10 vient occuper automatiquement une position en butée o son diamètre externe est légèrement supérieur au diamètre externe de l'élément la. de sorte qu'il creuse sous celui-ci une saignée de havage et que l'élément la s'enfonce progressivement dans le sol en suivant l'outil 10. Lorsqu'un premier élément la a été enfoncé dans le sol. on fait tourner la table de rotation 8 en sens inverse. ce qui a pour effet de replier automatiquement l'outil de havage 10 dont le diamètre externe est alors inférieur au diamètre interne de l'élément la et on remonte ensuite la table de rotation et la tarière suffisamment haut pour pouvoir placer un deuxième élément préfabriqué lb verticalement au-dessus du premier élément la. Avant de mettre en place l'élément lb. on engage des barres verticales 3 dans les trous verticaux réservés à l'extrémité supérieure de l'élément la puis on emboite les trous verticaux réservés à l'extrémité inférieure de l'élément lb sur ces barres et on scelle les barres avec une résine polymérisable. L'arbre creux 7 et la tarière 9 peuvent être composés de plusieurs tronçons que l'on assemble bout à bout à mesure que le tubage s'enfonce dans le sol. Une fois le tubage en place. on sort la tarière. on nettoie l'intérieur du tubage et l'on procède au remplissage de béton. de coulis de ciment ou de sable. En variante. on place à l'intérieur du tubage 1 un ou plusieurs obturateurs gonflable de tout type connu. que l'on descend jusqu'à un niveau déterminé que l'on a choisi pour constituer la tête de la zone d'ancrage du tubage. On injecte ensuite dans l'espace intérieur au tubage situé au- dessous de l'obturateur gonflable un coulis de ciment suffisamment fluide pour qu'il passe à travers les canaux radiaux 2 du tubage et pénètre dans les strates ou les fiasures des terrains encaissants. Cette injection de coulis de ciment assure une bonne liaison entre le pieu et le sol aussi bien du point de vue de l'effort en pointe du pieu. que du frottement latéral du pieu. Cette injection procure, en outre, une bonne liaison mécanique entre les divers éléments en béton la. lb. La figure 3 est une vue en élévation de l'extrémité inférieure de l'outil en position de havage. On voit sur cette figure un premier élément préfabriqué en béton armé la qui porte, avantageusement. à son extrémité inférieure, un sabot métallique 11 comportant une jupe cylindrique 12 qui entoure la périphérie externe de l'élément la et une jupe tronconique 13 qui diverge vers le bas. Le sabot 11 est facultatif. Il facilite le mouvement de descente par gravité du tubage et il facilite le repliement de l'outil de havage lorsqu'on remonte la tarière. On voit sur la figure 3 l'arbre creux 7 qui porte à sa périphérie une vis hélicoïdale 9 formant une tarière destinée à l'évacuation des déchets vers le haut. L'extrémité inférieure de l'arbre creux 7 porte des pics fixes 14, répartis sur sa périphérie qui creusent dans le terrain un avant- trou ayant un diamètre légèrement supérieur au diamètre de l'arbre 7. Un peu au-dessus de son extrémité inférieure, l'arbre 7 porte une lame métallique fixe 15 dont le diamètre externe est sensiblement égal au diamètre externe de la vis hélicoïdale 9. Avantageusement, la lame 15 est hélicoïdale et elle prolonge la vis hélicoïdale 9. Avantageusement. le bord d'attaque de la lame 15 est équipé de pics 15a. Entre l'extrémité inférieure de la vis hélicoïdale 9 et la lame fixe 15 est monté un outil de havage 10 comportant une lame 16 dont le bord d'attaque 17 porte des pics 18. La lame 16 est articulée autour d'un axe vertical 19 qui est excentré par rapport à l'axe zzl de l'arbre 7. Avantageusement, la lame 16 est légèrement hélicoïdale pour faciliter l'évacuation des déblais. La figure 4 est une vue de dessous de l'extrémité inférieure de l'outil sur laquelle on a représenté en traits pleins la position de travail de l'outil de havage 10 et en pointillés la position repliée de ce mime outil. On voit sur cette figure 1'axe excentré 19 autour duquel pivote la lame 16 de l'outil de havage. On voit que cette lame 16 a la forme générale d'une portion de couronne qui est délimitée par un arc de cercle externe 161 dont le diamètre est égal au diamètre externe de la vis hélicoïdale 9 et par un arc de cercle interne 162. dont le diamètre est égal au diamètre externe de l'arbre creux 7. Les deux arcs de cercle 161 et 162 sont parallèles. Ils s'étendent sur environ un demi-cercle. Ils ont un centre commun O qui est situé à une distance de l'axe de pivotement 19 égale à l'excentration e de l'axe 19 par rapport à l'axe zzl de l'arbre 7. de sorte que le centre 0 se déplace sur un cercle centré sur l'axe 19 et passant par l'axe zzl. Lorsque l'outil de havage 10 est dans la position repliée représentée en pointillés, le bord interne 162 enveloppe la moitié de la périphérie de l'arbre creux 7 et Le bord externe 161 est confondu avec la projection de la périphérie externe de la vis hélicoidale 9. Lorsqu'on fait tourner l'arbre creux 7 dans le sens des aiguilles d'une montre, qui est le sens d'évacuation des terres, la réaction du terrain sur les pics 18 et sur la lame 16 fait pivoter automatiquement celle-ci autour de l'axe 19 dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. La lame 16 comporte un talon 20 qui est situé au delà de l'axe 19 et qui vient s'appuyer contre l'arbre 7 bloquant ainsi la lame 16 dans la position de travail représentée en traits pleins sur la figure 4. Dans cette position, les pics 18 et la lame 10 creusent dans le sol un havage circulaire limité par un cercle C2 qui est le cercle tangent à la lame 16. Le diamètre du cercle C2 est légèrement supérieur au diamètre externe des éléments de tubage préfabriqués. Lorsqu'on a fini d'enfoncer un élément de tubage dans le sol, on inverse le sens de rotation de l'arbre creux 7 et on remonte la tarière. La lame pivotante 16 vient frotter contre le sabot métallique 13 ou contre l'extrémité inférieure de l'élément en béton la dans le cas o il n'y a pas de sabot métallique et le frottement exerce sur la lame 16 une poussée qui fait pivoter automatiquement celle-ci dans le sens des aiguilles d'une montre jusqu'à ce qu'elle soit appuyée contre l'arbre 7 dans la position représentée en pointillés sur la figure 4. On voit que dans cette position, la totalité de l'outil de havage se trouve à l'intérieur du cercle C1 et peut donc remonter à l'intérieur du tubage. Les pics 14, 16. 18 ont des taillants en un matériau dur, par o10 exemple en carbure de tungstène ou en tout autre matériau utilisé couramment pour fabriquer des outils de forage ou de creusement des roches. En variante, l'outil de havage 10 peut être constitué de deux lames 16. chacune occupant la moitié de la section circulaire Cl en position repliée, les deux axes 19 étant diamétralement opposes. 2648839. REVENDICATIONS 1. Pieu de fondation, caractérisé en ce qu'il comporte - un tubage en béton (1), composé d'éléments tubulaires (la, lb) en béton armé ou en béton précontraint, ayant un diamètre externe, de l'ordre de 300 à 800 me et une épaisseur de l'ordre de 80 m à 150 mm. lesquels éléments comportent des canaux radiaux (2) - et un coulis de ciment (4) qui forme une ame coulée sur une partie au moins de l'intérieur dudit tubage et qui est injecté dans les terrains encaissants à travers lesdits canaux radiaux (2). 2. Pieu selon la revendication 1. caractérisé en ce que lesdits éléments tubulaires préfabriqués (la. lb) comportent. à leurs deux extrémités, des trous de réservation verticaux et deux éléments superposés sont assemblés bout à bout par des barres de liaison (3). qui sont engagées dans deux trous se faisant face et qui sont scellées par une résine polymérisable. 3. Procédé de construction d'un pieu de fondation, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes: - on préfabrique en usine des éléments tubulaires (la. lb) en béton armé ou en béton précontraint. ayant un diamètre externe de l'ordre de 300 à 800 mu et une épaisseur de l'ordre de 80 à 150 mm et comportant des canaux radiaux (2); - on descend un par un lesdits éléments (la, lb) verticalement dans le sol par havage au moyen d'une tarière (7, 9) qui est engagée à l'intérieur des éléments préfabriqués, qui porte à son extrémité un outil de havage (10) escamotable et qui est entrainée en rotation à une vitesse suffisante pour évacuer les déblais; - lorsqu'un élément (la. lb) est entièrement enfoncé dans le sol, on retire la tarière (7, 9) et on dresse un deuxième élément tubulaire sur le premier, puis on redescend la tarière (7, 9) à l'intérieur des deux éléments et on poursuit le havage; - et, lorsque le tubage préfabriqué est en place, l'on procède au remplissage de béton, de coulis de ciment ou de sable... ou l'on met en place dans celui-ci un ou plusieurs obturateurs gonflables à un niveau intermédiaire et on injecte, dans la zone située à l'intérieur du tubage et au-dessous desdits obturateurs, un coulis de ciment (4) qui pénètre dans les terrains encaissants à travers lesdits canaux radiaux pour former un ancrage dans le sol. 4. Outil pour la mise en oeuvre d'un procédé selon la revendication 3 du type comportant un arbre vertical (7) qui est entraîné en rotation par une table de rotation (8) mobile le long d'un mit vertical (6) et qui porte une vis hélicoïdale (9) formant une tarière, caractérisé en ce que ledit arbre porte & son extrémité un outil de havage repliable, qui s'inscrit en position repliée à l'intérieur d'un cercle (Cl) ayant un diamètre inférieur au diamètre interne desdits éléments tubulaires préfabriqués et qui a, en position de travail, un diamètre externe supérieur au diamètre externe desdits éléments tubulaires préfabriqués, 5. Outil selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit outil de havage comporte une lame métallique (16). qui est située au-dessous de l'extrémité inférieure de ladite vis hélicoïdale (9) et qui pivote autour d'un axe d'articulation vertical (19) excentré par rapport à l'axe de ladite tarière. 6. Outil selon la revendication 5. caractérisé en ce que le bord externe (161) et le bord interne (162) de ladite lame sont des arcs de cercle parallèles ayant un centre commun (0). qui est situé à une distance (e) dudit axe d'articulation égale à la distance entre l'axe de ladite tarière et ledit axe d'articulation (19) de ladite lame. 7. Outil selon la revendication 6. caractérisé en ce que ledit bord interne (162) a un rayon égal au rayon de l'arbre (7) de ladite tarière et ledit bord externe (161) a un rayon égal au diamètre externe de ladite vis hélicoïdale (9). 8.- Outil selon l'une quelconque des revendications 4 à 7. caractérisé en ce que ledit arbre vertical (7) porte. à son extrémité. des pics (14), répartis autour de sa périphérie et une lame fixe (15) dont le bord d'attaque est équipé de pics (16) qui prolonge l'extrémité inférieure de ladite vis hélicoïdale. 9. Machine pour l'exécution de forages selon la revendication 1. caractérisée en ce qu'elle comporte un outil selon l'une quelconque des revendications 4 à 8.