Brevet FR2831206A1 — publié le 20030425

La présente invention a pour objet un outil de forage et de refoulement notamment, mais non exclusivement, pour la réalisation de pieux à refoulement. Il existe plusieurs techniques pour réaliser des pieux de fondation. Les deux principales techniques sont les pieux battus et les pieux forés. Les pieux battus sont réalisés en fonçant dans le s01 un élément rigide qui refoule le terrain en le comprimant latéralement pour ménager la place nécessaire à l'élément rigide constituant le pieu. La deuxième technique, c'est-à-dire les pieux forés, est mise en oeuvre en enlevant le terrain avant de mettre en place du béton armé constituant le pieu, dans l'excavation préalablement réalisée, cette excavation constituant ainsi un moule pour la définition de la forme du pieu. La présente invention concerne un outil pour la réalisation de pieux du deuxième type. Les deux méthodes présentent leurs avantages et leurs inconvénients spécifiques, mais la différence qui concerne la présente invention réside dans la sortie ou non des sédiments résultant de l'excavation du sol et la possibilité d'amélioration des caractéristiques du pieu qui est un avantage important pour les pieux battus dans certains terrains, mais qui peut être un inconvénient lorsque ce terrain devient trop compact et empêche la pénétration de l'élément rigide. Des techniques de pieux à refoulement de sol ont été développées pour augmenter les caractéristiques du frottement latéral des pieux forés. Ces techniques consistent à foncer dans le sol un outil qui, par sa dimension et sa géométrie, oblige une partie du terrain à rester à proximité de l'outil et à comprimer ainsi le terrain avoisinant, de telle manière que les parois du trou ou excavation ainsi réalisé soient plus compactes et fournissent donc une meilleure définition de l'excavation. L'outil connu décrit ci-dessus refoule un pourcentage fixe de terrain, pourcentage qui est défini par sa forme même. Il est impossible de modifier ce pourcentage, sauf à remplacer l'outil par un autre conçu pour présenter un coefficient de refoulement différent. On comprend aisément que cette opération, qui nécessite la remontée de l'outil, fait perdre du temps et oblige l'entreprise à disposer sur le chantier d'une gamme d'outils différents. Or, dans beaucoup de chantiers, le terrain à traverser par l'outil est constitué de plusieurs couches qui présentent des caractéristiques mécaniques différentes et qui nécessitent donc des coefficients de refoulement différents. On comprend qu'il existe donc un réel besoin de disposer d'un outil, notamment pour réaliser des pieux forés ou à refoulement, qui permette, selon la nature du terrain, de modifier le coefficient de refoulement sans avoir à procéder au changement de l'outil. Un objet de la présente invention est de fournir un outil qui permette à la fois le refoulement et le forage pour autoriser, lors de la réalisation d'un pieu foré ou à refoulement, à modifier le taux de refoulement en fonction de la nature du terrain. Pour atteindre ce but selon l'invention, l'outil de forage et de refoulement destiné à être monté à l'extrémité inférieure d'un train de tiges pour la mise en rotation de celui-ci se caractérise en ce qu'il comprend : - un axe longitudinal ayant une première extrémité supérieure de fixation au train de tiges et une deuxième extrémité inférieure ; - une pale dont la surface est définie par des segments sensiblement orthogonaux audit axe, lesdits segments ayant une première extrémité disposée sur une hélice de pas P tracé sur ledit axe et une deuxième extrémité, formant le bord de la pale, disposée sur une hélice de pas P et dont le rayon va en diminuant de la première extrémité à la deuxième extrémité dudit axe ; et -un corps limité par une volute définie par des segments de longueur P parallèles audit axe longitudinal, les deux extrémités de chaque segment étant disposées sur des hélices parallèles de pas P, et dont le rayon va en diminuant de la première extrémité de l'axe longitudinal vers sa deuxième extrémité, le bord externe de la pale faisant au moins en partie saillie hors de ladite volute, les hélices définissant la pale ayant un sens d'enroulement inverse du sens d'enroulement des hélices définissant la volute par quoi la surface du corps de l'outil définie par la volute permet le refoulement du sol et la pale permet le forage du sol. On comprend que l'outil conforme à l'invention constitue à la fois une tarière permettant un forage sensiblement sans refoulement et, d'autre part, un outil de refoulement, le mode d'action de l'outil étant défini par son sens de mise en rotation. On comprend qu'ainsi, selon la nature de la couche de terrain rencontrée lors de la réalisation du pieu, on pourra commander la rotation du train de tiges et donc la rotation de l'outil, de telle manière qu'il travaille en refoulement ou en forage en fonction de la nature de la couche traversée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de plusieurs modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux figures annexées, sur lesquelles : - la figure 1 est une vue de face d'un premier mode de réalisation de l'outil de forage et de refoulement ; - la figure 2 est une vue de dessous de l'outil de la figure 1 ; - la figure 3 est une vue de dessus de ce même outil ; - la figure 4 est une vue en coupe verticale de l'outil ; - la figure 5 est une vue en perspective de l'outil de la figure 1 ; -la figure 6 est une vue en perspective d'une variante de réalisation de l'outil de forage et de refoulement ; et - la figure 7 est une vue schématique d'une installation de forage utilisant l'outil représenté sur la figure 1. En se référant tout d'abord aux figures 1 à 5, on va décrire un premier mode de réalisation de l'outil de forage et de refoulement. Si l'on considère de manière générale l'outil selon l'invention, on peut dire qu'il consiste en une combinaison particulière d'un outil de forage pur en forme de tarière à diamètre variable et d'un outil de refoulement constitué par une volute également à diamètre variable. Plus précisément, l'outil 10 comporte un axe vertical XX'qui est bien sûr l'axe de rotation de l'outil. Cet axe longitudinal référencé 12 comporte une extrémité inférieure en forme de pointe 14 et une extrémité supérieure 16 de raccordement au train de tiges pour sa mise en rotation. L'outil comprend d'une part une pale 18 que l'on peut définir comme étant constituée par une succession de segments tels que S sur la figure 5, ces segments S présentant une première extrémité interne 51 et une deuxième extrémité externe S2. L'extrémité 51 est disposée sur une hélice Hl que l'on peut tracer sur l'axe 12 et qui présente un pas constant P dans ce mode de réalisation. L'extrémité externe 52 de ce segment est disposée sur une deuxième hélice H2, cette hélice présentant le même pas P et présentant un diamètre qui va en diminuant de l'extrémité supérieure 16 de l'outil jusqu'à son extrémité inférieure 14. La paie 18 ainsi définie forme une tarière ayant un bord externe 26 défini par l'hélice à diamètre variable H2. Le corps de l'outil est également constitué par une volute 22 définissant la partie de refoulement de l'outil. Cette volute 22 peut être considérée comme engendrée par des segments S'parallèles à l'axe XX' de l'outil et présentant une extrémité supérieure 5'1 et une extrémité inférieure S'2. Les extrémités supérieure et inférieure 5'1 et S'2 des segments S'sont disposées sur deux hélices parallèles H'l et H'2 de pas P et dont le diamètre va en diminuant de l'extrémité supérieure 16 de l'outil vers son extrémité inférieure 14. Le sens d'enroulement des hélices Hl, H2 définissant la pale 18 est inverse du sens d'enroulement des hélices H'1 et H'2 définissant la volute 22. Si l'on considère la face externe de l'outil de forage et de refoulement, elle est constituée par la pale 18 ayant la forme générale d'une hélice à pas constant et à diamètre variable combiné avec la volute 22 également en forme d'hélice à pas constant et à diamètre variable. En ce qui concerne la réalisation de cet outil, on peut considérer que la pale unique 18 est soudée sur l'axe 12 par son bord interne 24 constitué par les extrémités 51 des segments S et par un bord externe 26 constitué par les extrémités S2 des segments. La volute 22 est constituée par des éléments en forme d'hélices soudées sur la pale 18 pour reconstituer les différentes spires de la volute 22. On comprend que la volute 22 laisse, entre les différentes spires de la pale 18, un espace permettant, d'une certaine manière, la circulation du terrain excavé. Dans le mode de réalisation considéré, on voit que le rayon initial RI de l'hélice définissant une spire de l'hélice de la volute 22 est égal au rayon R2 de la spire décalée de 1800 de l'hélice définissant le bord externe de la pale 18. On comprend donc que, pour chaque tour des hélices, il existe un point où la pale 18 est "tangente" à la volute 22. Ces points sont repérés par les références B sur la figure 1. Il va de soi que, dans certains modes de réalisation, on peut prévoir que le pas P des hélices Hl, H2 et H'l et H'2, définissant, d'une part, la pale 18 et, d'autre part, la volute 22, ne soient pas à pas constant sur toute la longueur de l'outil, mais présente par exemple une valeur qui va en décroissant de l'extrémité supérieure 16 vers l'extrémité inférieure 14. De préférence, la loi de variation du rayon de l'hélice H2 définissant le bord externe de la pale et la loi de variation du rayon des hélices H'l et H'2 définissant la volute entre les deux extrémités de l'axe sont les mêmes. De même, le pas P des hélices peut être fixe sur toute la longueur de l'axe longitudinal ou bien il peut diminuer depuis l'extrémité supérieure vers l'extrémité inférieure. Il va également de soi qu'on pourrait prévoir, pour les rayons RI et R2 de la figure 3, des valeurs distinctes, de telle manière que, par exemple, la pale 18 soit toujours en saillie à l'extérieur de la volute 22. Sur la figure 6, on a représenté une variante de réalisation 30 de l'outil de forage et de refoulement. L'axe 32 est creux et comporte une extrémité inférieure 34 et une extrémité supérieure 36 de raccordement au train de tiges. Le corps de l'outil est également constitué par une pale 38 définie par des hélices Hl et H2 et par une volute de refoulement 40 à sens d'enroulement inverse définie par les hélices H'l et H'2. Dans ce mode de réalisation, on voit que la diminution de diamètre est beaucoup plus progressive et le bord externe 42 de la pale 38 est toujours en saillie par rapport à la volute 40. Sur la figure 7, on a représenté de façon simplifiée une machine de forage 60 équipée d'un outil 62 de forage et de refoulement conforme à celui qui est représenté sur les figures 1 à 5. Elle comprend un mât vertical de guidage 64 le long duquel peut se déplacer un chariot 66 portant deux têtes de mise en rotation 68 et 70, la distance L entre ces deux têtes pouvant être réglée par un vérin 72. La tête de mise en rotation 68 commande un train de tiges 74 à l'extrémité inférieure duquel est monté l'outil 62. La tête de mise en rotation 70 commande un tubage 76 entourant le train de tiges 74. Les têtes de mise en rotation 68 et 70 permettent la mise en rotation dans les deux sens. En particulier, le sens de rotation de la tête 68 permet de commander l'outil 62 en forage ou en rotation. En commandant la rotation de l'outil dans un sens ou dans l'autre, 0n peut régler le coefficient de refoulement moyen pour chaque couche de terrain rencontrée lors du forage. REVENDICATIONS 1. Outil de forage et de refoulement destiné à être monté à l'extrémité inférieure d'un train de tiges de mise en rotation, caractérisé en ce qu'il comprend : - un axe longitudinal (12) ayant une première extrémité supérieure (16) de fixation au train de tiges et une deuxième extrémité inférieure (14) ; - une pale (18) dont la surface est définie par des segments (S) sensiblement orthogonaux audit axe, lesdits segments ayant une première extrémité (SI) disposée sur une hé ! ice (Hl) de pas P tracée sur ledit axe et une deuxième extrémité (S2), formant le bord (26) de la pale, disposée sur une hélice (H2) de pas P et dont le rayon va en diminuant de la première extrémité à la deuxième extrémité dudit axe ; et - un corps limité par une volute (22) définie par des segments (S') parallèles audit axe longitudinal, de longueur P, les deux extrémités de chaque segment (S'1, S'2) étant disposées sur des hélices (H'l, H'2) parallèles de pas P, et dont le rayon va en diminuant de la première extrémité de l'axe longitudinal vers sa deuxième extrémité, le bord externe (26) de la pale faisant au moins en partie saillie hors de ladite volute (22), les hélices (Hl, H2) définissant la pale ayant un sens d'enroulement inverse du sens d'enroulement des hélices (H'l, H'2) définissant la volute par quoi la surface du corps de l'outil définie par la volute permet le refoulement du sol et la pale permet le forage du sol. 2. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pas P est constant sur toute la longueur de l'axe longitudinal. 3. Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pas P va en diminuant de la première extrémité. 4. Outil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la loi de variation du rayon des hélices depuis la première extrémité de l'axe longitudinal jusqu'à sa deuxième extrémité est la même pour l'hélice externe de la pale et les hélices de la volute.