Brevet FR2696765A1 — publié le 19940415

La présente invention est relative à un appareil pour réaliser des pieux dans le sol par mélange in situ d'un liant avec le terrain. Pour réaliser des pieux dans le sol, on connaît déjà des procédés dans lesquels on fore sous boue un puits dans le terrain, puis on injecte du béton en partie basse du puits, tandis que l'on évacue la boue en partie haute, au fur et à mesure que le niveau du béton remonte dans 11 excavation. Ce procédé, qui nécessite la présence d'une installation d'évacuation de la boue en surface, pose le problème du stockage de cette dernière. Dans certains terrains meubles, on sait résoudre ce problème en injectant directement un liant dans le sol pour réaliser le pieu par prise du mélange constitué par le liant et le sol. On utilise à cet effet un appareil de forage spécifique qui assure l'homogénéité du mélange ainsi constitué. Un tel appareil connu comporte une tige creuse, sensiblement verticale, entraînée en rotation, et qui débouche à sa partie inférieure pour injecter un liant dans le sol. A l'extrémité inférieure de la tige, un outil de forage est monté fixe sur la tige, tandis qu un second outil, qui est situé au-dessus de l'outil de forage, est monté libre en rotation par rapport à la tige. Les dimensions dudit second outil sont telles que ses extrémités s'engagent dans le terrain extérieur à la zone d'action de l'outil de forage, ce qui l'immobilise en rotation lors de la rotation de la tige. L'outil de forage d'un tel appareil commence par creuser le sol en laissant derrière lui une colonne de terrain broyé de diamètre égal au sien. L'appareil s'enfonce alors dans le sol, tandis que le second outil s'immobilise en rotation du fait que ses extrémités pénètrent à la périphérie de l'excavation dans la zone de terrain laissée intacte par l'outil de forage. La tranche de terrain comprise entre l'outil de forage rotatif et le second outil ainsi immobilisé est soumise à un cisaillement constant qui assure sa désagrégation lors de la descente de l'appareil. Lors de la remontée, on injecte un liant à la partie inférieure de l'appareil tout en maintenant sa tige en rotation, le liant se mélangeant alors d'une façon homogène au terrain, grâce au cisaillement entre l'outil de forage qui tourne et le second outil immobilisé. De tels appareils présentent l'inconvénient important de ne pas pouvoir fonctionner de manière satisfaisante dans des terrains durs ou des terrains comportant des couches de roche compacte ou fragmentée. La présente invention vise à fournir un nouvel appareil pour la réalisation de pieux par injection d'un liant dans le sol, qui est apte à s'adapter à tous types de terrains, et qui est d'un mode de réalisation particulièrement simple et économique. La présente invention a pour objet un appareil pour réaliser des pieux dans le sol par mélange in situ d'un liant avec le terrain, du type comportant une tige entraînée en rotation et munie d'un outil de forage à son extrémité inférieure, cette tige supportant un outil de cisaillement qui est libre en rotation par rapport à la tige et immobile par rapport au sol lors de l'utilisation de l'appareil, ladite tige comportant en outre une canalisation qui débouche à sa partie inférieure pour injecter le liant dans le sol, appareil caractérisé par le fait que l'outil de cisaillement est solidaire en rotation d'un élément d'ancrage situé dans le terrain travaillé par l'outil de forage suffisamment au-dessus de ce dernier pour se trouver dans une partie du terrain qui reste sensiblement immobile en raison de frottements avec la partie du terrain non travaillée par l'outil de forage, l'outil de cisaillement et l'élément d'ancrage présentant un diamètre sensiblement égal à ou plus petit que celui de l'outil de forage. Le fonctionnement de l'appareil selon l'invention est basé sur le fait que le cylindre de terrain désagrégé qui se situe au-dessus de l'outil de forage est entraîné en rotation à sa partie basse alors qu'en allant vers le haut, il est progressivement freiné par son frottement avec le terrain qui ne subit pas l'action de l'outil de forage. L'appareil selon l'invention permet, à l'intérieur d'une colonne forée de terrain, d'utiliser des couches de terrain suffisamment éloignées de l'outil de forage pour être immobiles, afin d'immobiliser l'élément d'ancrage de l'outil de cisaillement qui est placé à proximité de l'outil de forage. I1 est clair que l'appareil décrit selon l'invention est apte à fonctionner dans n importe quel terrain, puisque l'outil de cisaillement et son élément d'ancrage demeurent à l'intérieur de la colonne de terrain broyé par l'outil de forage, lequel assure la désagrégation des sols et des roches plus ou moins dures qu il peut rencontrer. Selon l'invention, on choisit la distance qui sépare l'outil de cisaillement et son élément d'ancrage en fonction de la nature et en particulier de la viscosité du terrain désagrégé par l'outil de forage. Selon l'invention, il n'est pas indispensable que l'élément d'ancrage immobilise totalement l'outil de cisaillement mais il faut qu'il existe une différence entre la vitesse de rotation de l'outil de forage et celle de l'outil de cisaillement qui soit suffisante pour provoquer l'effet de cisaillement. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'outil de cisaillement et son élément d'ancrage sont constitués par au moins une et de préférence deux pales disposées radialement par rapport à l'axe de la tige, et montées pour pivoter librement autour de cette dernière. Les parties inférieures de ces pales, qui se trouvent au voisinage de l'outil de forage, assurent le cisaillement du terrain, alors que leurs parties supérieures les immobilisent en se trouvant dans la partie du terrain qui ne subit aucune ou peu de rotation. Dans une variante, les pales peuvents être séparées en une partie basse qui assure le cisaillement et une partie haute qui assure l'ancrage, ces deux parties étant bien entendu solidaires en rotation. Selon l'invention, les pales ont une étendue radiale inférieure ou sensiblement égale à celle de l'outil de forage. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, l'appareil comporte un second outil de cisaillement, solidaire en rotation de la tige et situé immédiatement en-dessous de l'outil de cisaillement qui est immobilisé selon l'invention. Dans ce cas, le cisaillement est créé non pas entre l'outil de forage et l'outil de cisaillement qui reste immobile, mais entre ce dernier et ledit second outil de cisaillement, qui est entraîné en rotation en meme temps que l'outil de forage. Ce second outil de cisaillement peut par exemple se présenter sous forme de pales soudées sur la tige de forage. Pour améliorer le cisaillement de la couche de terrain, on peut avantageusement munir la partie inférieure de l'outil de cisaillement qui est immobilisé et/ou la partie supérieure de l'outil de forage ou de l'outil de cisaillement qui est entraîné en rotation, de dents ou de pics métalliques éventuellement flexibles qui sont aptes à broyer le terrain, tout en laissant passer les blocs durs qui sont éventuellement présents dans le terrain. De même, pour diminuer les risques de rupture ou de blocage par des blocs durs, l'outil de cisaillement peut avantageusement coulisser par rapport à la tige, entre une position haute où il s'éloigne de l'outil de forage, et une position basse où il est au voisinage immédiat de l'outil de forage ou de l'outil rotatif de cisaillement avec lequel il coopère. Ainsi, par frottement dans la colonne de terrain, l'outil de cisaillement se maintient en position haute lors de la descente de l'appareil et se place en position basse lors de la remontée de l'appareil, pour augmenter son effet de cisaillement. En cas de passage d'un bloc dur dans la zone de cisaillement qui entraîne un blocage, il suffit alors d'inverser le sens de rotation de la tige pour provoquer la descente de l'outil de forage, ce qui débloque l'appareil. Dans un autre mode de réalisation, on dispose sur la tige de forage plusieurs ensembles constitués chacun par un premier outil de cisaillement immobilisé conformément à l'invention et par un second outil de cisaillement solidaire de la tige en rotation. Selon une variante préférée de ce mode de réalisation, un élément d'ancrage unique immobilise deux outils de cisaillement placés l'un au-dessous et l'autre au-dessus de lui. Cette configuration permet de réaliser différentes zones de cisaillement sur toute la hauteur de la colonne en cours de forage, l'homogénéisation du terrain étant ainsi encore améliorée. Pour dégager l'appareil lors de sa remontée, on peut en outre disposer avantageusement un second outil, tournant avec la tige, et situé au-dessus de tous les autres organes montés sur la tige pour faciliter le soulèvement de l'appareil lors de sa remontée. Avantageusement, on munit la tige de capteurs aptes à détecter les mouvements angulaires de l'outil de cisaillement par rapport à cette dernière, de sorte qu'en cours de forage, on peut déterminer si l'outil de cisaillement est suffisamment freiné par son élément d'ancrage pour présenter par rapport à la tige une différence de vitesse de rotation lui permettant de cisailler efficacement le terrain. A cet effet, on peut utiliser par exemple des capteurs magnétiques tandis que des aimants permanents sont disposés sur l'élément de cisaillement ou son élément d'ancrage, au voisinage desdits capteurs magnétiques. Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant à titre d'illustration, et sans aucun caractère limitatif un mode de réalisation pris comme exemple et représenté sur le dessin annexé dans lequel - la figure 1 représente un appareil selon un mode de réalisation de l'invention en cours de forage dans un terrain, - la figure 2 est une section selon II-II de la figure 1, - la figure 3 est une section selon III-III de la figure 1, et - la figure 4 est une section analogue à la figure 2 représentant une variante d'un outil de cisaillement. L'appareil décrit ici pénètre dans le terrain 1 en désagrégeant une colonne de terrain 2 dont on n' a représenté que la périphérie, de manière à rendre visible l'appareil selon l'invention. Ce dernier comporte une tige 3 qui est entraînée en rotation par un moteur non représenté situé à la surface du sol. L'extrémité inférieure de la tige supporte un outil de forage 4 qui est soudé sur cette dernière et permet à l'appareil de pénétrer dans le sol lorsque la tige tourne dans le sens indiqué par la flèche 5. A cet effet, l'outil de forage 4 est muni de dents 6. Dans le mode de réalisation illustré, l'outil de forage 4 se présente sous la forme de deux portions de tarières, disposées symétriquement par rapport à la tige 3 et s'étendant chacune sur un demi-tour. La tige 3 supporte également un outil de cisaillement 7 dont l'étendue radiale est, selon l'invention, inférieure à celle de l'outil de forage 4. En effet, il existe une différence de rayon A r entre la périphérie de la colonne de terrain broyé 2 et l'extrémité de l'outil de cisaillement 7. Dans le cas présent, l'outil de cisaillement comporte deux pales 8 en tôle d'acier de forme rectangulaire qui s'étendent chacune radialement par rapport à la tige 3 en étant disposées symétriquement de part et d'autre de celle-ci. Trois paires de pièces de fixation 9 maintiennent lesdites pales 8 en les enserrant entre leurs extrémités planes 9a, tandis que leurs parties médianes 9b, qui sont demi-cylindriques, enveloppent la tige 3. - Les deux pièces de fixation 9 d'une même paire sont réunies entre elles par des boulons 10 qui assurent également le serrage des pales 8. Une fois montées, les parties médianes 9b des pièces de fixation 9 présentent un jeu radial par rapport à la tige 3, ce qui permet aux pales 8 de pivoter librement autour de cette dernière. De part et d'autre de l'outil de cisaillement 7, la tige 3 comporte deux épaulements 12 qui limitent les déplacements axiaux dudit outil de cisaillement. On remarque que dans ce mode de réalisation, l'outil de cisaillement 7 est libre de coulisser axialement entre les deux portées 12. La tige 3 supporte également deux seconds outils de cisaillement 13 qui sont montés fixes sur cette dernière. Ainsi qu'on le voit plus clairement sur la section II-II, chaque second outil de cisaillement 13 comporte 4 pales, chacune étant constituée par deux plaques de tôle rectangulaires 14, assemblées sous la forme d'un trièdre dont l'arête 15 est parallèle à l'axe de la tige 3. Les plaques de tôle 14 sont soudées sur la tige 3 et tournent par conséquent en même temps que l'outil de forage 4. Les quatre pales du second outil de cisaillement 13 sont régulièrement réparties à la périphérie de la tige 3. La figure 4 illustre une variante d'un tel second outil de cisaillement qui ne comporte que deux pales disposées symétriquement par rapport à la tige 3. Conformément à l'invention, l'outil de cisaillement 7 est solidaire en rotation d'un élément d'ancrage qui est constitué dans le cas présent par la partie médiane des pales 8. En effet, lors de la rotation de la tige 3, l'outil de forage 4 et les deux seconds outils de cisaillement 13 tournent en entraînant la colonne de terrain 2 en rotation. Néanmoins, cette dernière est freinée par les frottements qu'elle subit à sa périphérie, par contact avec la partie du terrain qui a été laissée intacte par l'outil de forage 4. Par conséquent, seules les parties de la colonne 2 qui sont voisines de l'outil de forage 4 et des deux seconds outils de cisaillement 13 tournent avec la tige, les parties de la colonne 2 qui en sont éloignées étant sensiblement immobiles par rapport au sol. Notamment, dans la partie médiane des pales 8, le sol est sensiblement immobile en raison des frottements avec la partie du terrain 1 qui n'pas été travaillée par l'outil de forage. Dans cette partie de terrain, les pales 8 jouent le rôle d'élément d'ancrage qui immobilisent sensiblement l'ensemble de l'outil de cisaillement 7. Aux extrémités hautes et basses des pales 8, le terrain est entraîné en rotation par les seconds outils de cisaillement 13, ce qui provoque un effet de cisaillement, lequel est renforcé par la présence de pics métalliques 16 qui sont soudés sur les parties en regard des pales 8 et des pales 14. Dans le cas présent, les pics 16 sont flexibles, ce qui leur permet de laisser passer des blocs durs éventuellement présents dans le terrain, pour éviter un blocage de l'appareil. Toutefois, s il se produit un blocage résultant de la présence d'un bloc de grande dimension, il suffit de changer le sens de rotation de la tige 3 pour que l'outil de forage 4 entraîne l'ensemble de l'appareil dans une direction opposée à son sens de déplacement initial, ce qui provoque le coulissement axial de l'outil de cisaillement 7 et le déblocage de l'appareil. On comprend qu'un appareil tel que décrit est adapté à fonctionner dans n'importe quel type de terrain dans la mesure où la totalité de son outil de cisaillement demeure à l'intérieur de la colonne de terrain broyé par l'outil de forage. De ce fait, il n'existe aucun risque que cet outil de cisaillement ne bloque l'appareil en s'immobilisant dans des zones de terrain non travaillées. I1 est bien entendu que le mode de réalisation qui vient d'être décrit ne présente aucun caractère limitatif et qu'il pourra recevoir toute modification désirable sans sortir pour cela du cadre de l'invention. En particulier, il est clair que selon l'invention, l'outil de cisaillement et son élément d'ancrage ne sont pas nécessairement constitués par un même assemblage de pales. I1 suffit en effet que ceux-ci soient solidaires en rotation l'un par rapport à l'autre. REVENDICATIONS 1. Appareil pour réaliser des pieux dans le sol par mélange in situ d'un liant avec le terrain, du type comportant une tige entraînée en rotation et munie d'un outil de forage à son extrémité inférieure, cette tige supportant un outil de cisaillement qui est libre en rotation par rapport à la tige et immobile par rapport au sol lors de l'utilisation de l'appareil, ladite tige comportant en outre une canalisation qui débouche à sa partie inférieure pour injecter le liant dans le sol, appareil caractérisé par le fait que l'outil de cisaillement (7) est solidaire en rotation d'un élément d'ancrage (8) situé dans le terrain travaillé (2) par l'outil de forage (4), suffisamment au-dessus de ce dernier pour se trouver dans une partie du terrain qui reste sensiblement immobile en raison de frottements avec la partie du terrain non travaillée (1) par l'outil de forage (4), l'outil de cisaillement (7) et l'élément d'ancrage (8) présentant un diamètre sensiblement égal à ou plus petit que celui de l'outil de forage (4). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'outil de cisaillement (7) et son élément d'ancrage (8) sont constitués par au moins une et de préférence deux pales (8) disposées radialement par rapport à l'axe de la tige (3) et montées pour pivoter librement autour de cette dernière. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les pales (8) comportent, solidaires en rotation, une partie basse qui assure le cisaillement et une partie haute qui assure l'ancrage. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comporte un second outil de cisaillement (13) solidaire en rotation de la tige (3) et situé immédiatement en-dessous de l'outil de cisaillement (7) qui est immobilisé par son élément d'ancrage (8). 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la partie inférieure de l'outil de cisaillement (7) qui est immobilisé et/ou la partie supérieure de l'outil de forage (4) ou de l'outil de cisaillement (13) qui est entraîné en rotation sont munies de dents. 6. Appareil selon l'une quelconque des ' revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la partie inférieure de l'outil de cisaillement (7) qui est immobilisé et/ou la partie supérieure de l'outil de forage (4) ou de l'outil de cisaillement (13) qui est entraîné en rotation sont munies de pics métalliques (16) flexibles qui sont aptes à broyer le terrain (2) en laissant passer des blocs durs qui sont éventuellement présents dans ce dernier. 7. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'outil de cisaillement (7) est monté axialement coulissant par rapport à la tige (3). 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait qu'il comporte sur sa tige (3) une pluralité d'ensembles constitués chacun par un premier outil de cisaillement (7) immobilisé par son élément d'ancrage (8) et par un second outil de cisaillement (13) solidaire de la tige (3) en rotation. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'un élément d'ancrage (8) unique immobilise en rotation deux outils de cisaillement (7) placés l'un au-dessous et l'autre au-dessus de lui. 10. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait qu'il comporte un second outil, tournant avec la tige (3) et situé, au-dessus de tous les autres organes montés sur la tige pour faciliter le soulèvement de l'appareil lors de sa remontée.