Brevet FR2957948A1 — publié le 20110930

Arrière plan de l'invention La présente invention concerne le domaine technique des machines de forage, notamment mais non exclusivement pour la réalisation de parois dans le sol résultant du mélange de sol avec un liant additionnel. La présente invention ne concerne cependant pas le domaine des outils du type fraise destiné à excaver une tranchée tout évacuant les débris de coupe hors de la tranchée. Les techniques de mélange de sol et d'un liant (en anglais « Soil Mixing ») sont aujourd'hui d'utilisation courante pour améliorer notamment les sols des fondations. Les outils utilisés, du type Cutter Soil Mixing (CSM), sont capables de forer dans une multitude de terrains, notamment afin de mélanger in situ le coulis de ciment injecté à l'extrémité inférieure de l'outil avec le terrain, grâce à quoi on diminue sensiblement la quantité de déblais produits par l'excavation de parois moulées. Actuellement, les machines sont équipées de deux paires de tambours à axes parallèles montées sur une structure porteuse. Un exemple d'une telle machine est décrit dans le document FR 2 899 608. Sur la périphérie de ces tambours sont fixés des dents de coupe montées sur des supports fixés aux tambours. Les tambours sont entrainés en rotation par des moteurs hydrauliques situés à l'intérieur de ceux-ci. Ce système de moteurs logés dans les tambours limite les risques de coincement des tambours à l'intérieur de la tranchée. Cependant, même si le coincement est réduit, il est encore bien présent, surtout lorsque les tambours présentent une longueur axiale importante. Un premier objet de l'invention porte sur un tambour rotatif pour un outil de forage et de malaxage du type précité, ledit tambour présentant un axe de rotation, une face extérieure et une face intérieure orthogonales à l'axe de rotation, et une surface périphérique s'étendant axialement entre la face intérieure et la face extérieure, ledit tambour étant muni d'une pluralité de dents de coupe montées à l'extrémité de supports s'étendant radialement depuis la surface périphérique. Traditionnellement, lorsque l'on souhaite augmenter l'épaisseur du forage, il est nécessaire d'augmenter la longueur axiale des tambours. En effet, l'épaisseur du forage correspond sensiblement à l'encombrement axial des paires de tambours. Cependant, il a été constaté que cette augmentation de la longueur axiale des tambours accroit le risque de coincement vertical de l'outil dans la tranchée, ou, à tout le moins, gêne considérablement la remontée de l'outil. On comprend en effet que plus l'envergure axiale des tambours est importante, plus ils opposent une résistance aux mouvements verticaux de l'outil. Cet aspect est particulièrement important dans la mesure où, contrairement à un outil d'excavation de type fraise, un outil de malaxage de type CSM est amené à se déplacer plusieurs fois verticalement dans la tranchée. On comprend donc qu'un blocage ou un coincement perturbe fortement l'avancement des travaux. Objet et résumé de l'invention Un but de l'invention est de proposer un tambour rotatif pour un outil de forage et de malaxage de sol permettant de réaliser des tranchées de grande épaisseur tout en étant sensiblement moins sujet au coincement. L'invention atteint son but par le fait que le tambour comporte au moins un premier support muni d'une première dent de coupe, ledit premier support étant arrangé de telle sorte que la face extérieure soit disposée axialement entre la première dent et la face intérieure, grâce à quoi la première dent est disposée axialement au-delà de la face extérieure. Ainsi, le tambour comporte au moins une dent, la première dent, qui est axialement déportée par rapport au tambour. Par suite, le tambour selon l'invention est apte à forer et mélanger un volume de sol qui est plus épais que la longueur axiale dudit tambour. En d'autres termes, pour une épaisseur de tranchée donnée, le tambour selon l'invention présente une envergure axiale inférieure à celui de l'art antérieur, grâce à quoi, le tambour selon l'invention offre moins de risques de coincements verticaux que les tambours antérieurs. Autrement dit, on comprend que le tambour selon l'invention facilite le déplacement vertical de l'outil. Par ailleurs, au sens de la présente invention, la face extérieure du tambour est celle qui est destinée à être en regard de l'une des parois de la tranchée, tandis que la face intérieure est celle qui est destinée à être en regard d'un élément de l'outil de malaxage destiné à supporter les tambours, ou d'un autre tambour de l'outil. On précise également qu'un support peut porter une dent, deux dents ou bien davantage. En l'espèce, les supports fonctionnent comme des pales de malaxage, tandis que les dents viennent gratter et déstructurer le sol. De préférence, les supports présentent une épaisseur axiale petite par rapport à leur longueur radiale et leur étendue angulaire de telle manière qu'elles présentent la forme générale d'un aileron de requin. Une telle forme est particulièrement bien adaptée pour le malaxage dans des terrains argileux. Avantageusement, le premier support est incliné par rapport à un plan dans lequel s'étend la face extérieure. De préférence, ce plan est orthogonal à l'axe de rotation du tambour. Lorsque le premier support est fixé au bord de la surface périphérique, le support pourra par exemple être incliné d'un angle compris entre 10° et 30° par rapport audit plan. De manière préférentielle, le tambour comporte au moins un deuxième support muni d'une deuxième dent de coupe, ledit deuxième support étant disposé axialement entre le premier support et la face intérieure. Le deuxième support est préférentiellement incliné par rapport à un plan orthogonal à l'axe de rotation. Par ailleurs et de manière avantageuse, la première dent et la deuxième dent présentent sensiblement la même hauteur radiale. Afin d'améliorer encore le malaxage, le tambour selon l'invention comporte au moins un troisième support muni d'une troisième dent de coupe, ledit troisième support étant disposé axialement entre le deuxième support et la face intérieure. En outre, la troisième dent présente avantageusement la même hauteur radiale que les première et deuxième dents. Selon un mode de réalisation préférentiel, le tambour selon l'invention comporte un premier groupe de dents constitué de premières dents montées sur des premiers supports, un deuxième groupe de dents constitué par des deuxièmes dents montées sur des deuxièmes supports et un troisième groupe de dents constitué par des troisièmes dents montées sur des troisièmes supports, et, par ailleurs, deux dents angulairement adjacentes de l'un des groupes de dents sont distantes d'un angle sensiblement égal à 90°. Autrement dit, il est préférentiellement prévu quatre supports de dents par groupe de dents, de manière à offrir une capacité de forage et un malaxage efficaces tout en laissant le maximum de place pour les écoulements fluides autour des supports. De préférence, vue selon le sens de rotation du tambour, la surface périphérique présente successivement une première dent, une deuxième dent, puis une troisième dent. De préférence, deux dents successives sont distantes d'un angle sensiblement égal à 30°. Ainsi, pour une deuxième dent donnée, les première et troisième dents qui sont adjacentes à cette deuxième dent sont distantes de cette dernière d'un angle sensiblement égal à 30°, de manière à assurer un forage/malaxage continu. Pour améliorer le forage, certaines des dents sont avantageusement inclinées par rapport à leurs supports. De préférence, deux dents angulairement adjacentes appartenant à l'un des groupes de dents ne présentent pas la même inclinaison par rapport à leurs supports. Alternativement, lorsqu'un support porte deux dents, ces dernières seront inclinées l'une par rapport à l'autre de manière à former un « Y ». Un second objet de l'invention concerne un outil de malaxage de sol comportant : - un ensemble de malaxage constitué d'un organe de support et de deux paires de tambours rotatifs coaxiaux conformes à l'invention, dans lequel les tambours de chacune des paires de tambours sont disposés de part et d'autre dudit organe de support ; une poutre ayant des dimensions transversales petites par rapport à l'envergure de l'ensemble de malaxage, ladite poutre étant fixée à l'organe de support afin de porter l'ensemble de malaxage ; des moyens moteurs, pour entrainer lesdits tambours en rotation, lesdits moyens moteurs étant logés à l'intérieur desdits tambours ; et une buse pour injecter un fluide entre les paires de tambours. Cet outil, de type CSM, est particulièrement avantageux dans la mesure où il présente un encombrement faible par rapport à l'épaisseur de la tranchée, de manière à favoriser le déplacement vertical de l'ensemble de malaxage, principalement lorsque la tranchée est remplie d'un mélange de liant-ciment qui est généralement dense et épais, et donc propice à coincer l'ensemble de malaxage. De manière particulièrement avantageuse, le tambour comporte en outre au moins un racleur incliné qui est fixé au support et qui s'étend jusqu'à la surface périphérique de chaque tambour. Lorsque les tambours de l'outil de malaxage de sol selon l'invention sont munis de premières, deuxièmes et troisièmes dents, le racleur comporte avantageusement une ouverture permettant le passage des dents du deuxième groupe de dents lors de la rotation des tambours. De préférence, la largeur axiale de l'ouverture est sensiblement égale ou légèrement supérieure à l'épaisseur axiale des deuxièmes supports. Brève description des dessins L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est représente une machine de malaxage comportant un outil de malaxage de sol conforme à la présente invention ; - la figure 2 est une vue en perspective de l'outil de malaxage avec sa poutre de guidage ; - la figure 3 est une vue latérale du tambour selon l'invention qui équipe l'outil de la figure 2 ; la figure 3A est une vue de détail d'un support de dent incliné du tambour de la figure 2 ; - la figure 4 est une vue de face du tambour de la figure 3 ; - la figure 5 est une vue développée de la surface périphérique du tambour de la figure 4 ; - les figures 6A à 6E illustrent différentes configurations des dents de coupe du tambour selon l'invention ; et - la figure 7 illustre la position du racleur par rapport au tambour de la figure 3. Description détaillée de l'invention Sur la figure 1, on a représenté une machine de forage 10 muni d'un outil de malaxage de sol 12 conforme à l'invention. L'outil de malaxage de sol 12 comporte une poutre de guidage 14 de profil constant et de préférence à section rectangulaire. Par ailleurs, un ensemble de malaxage 16 motorisé est fixé à l'extrémité inférieure 14a de la poutre 14. La poutre de guidage 14 permet de transmettre les efforts de poussée et de traction sur l'ensemble de malaxage 16. Elle permet également de protéger les conduites d'alimentation de l'outil en liant, ainsi que les conduites d'alimentation des moteurs en énergie hydraulique des moteurs. La poutre 14 est reliée à un mât vertical 20 par le biais de moyens de guidage et d'entrainement 17,18. Le mât est supporté par un porteur à chenilles 22 sur lequel est installé un système de génération de puissance hydraulique 24. On comprend qu'en commandant les déplacements de la poutre de guidage 14 en montée et en descente, on déplace verticalement l'ensemble de malaxage dans le sol pour réaliser un panneau de tranchée par forage du sol et malaxage des déblais de forage avec le liant. Sur la figure 2, on a représenté la poutre de guidage 14 à l'extrémité inférieure de laquelle est fixé l'ensemble de malaxage 16. Comme on peut le constater, l'ensemble de malaxage 16 est constitué d'un organe de support 26 et de deux paires de tambours rotatifs 28 conformes à l'invention. On constate également sur cette figure que la poutre 14 également appelée « Kelly » présente des dimensions transversales petites par rapport à l'envergue de l'ensemble de malaxage 16. Des moyens moteurs, de préférence hydrauliques, dédiés à l'entrainement en rotation des tambours 28, sont logés à l'intérieur desdits tambours. Ce type de moteurs étant bien connu par ailleurs, il ne sera pas décrit plus en détail. Pour permettre l'injection de fluide, de préférence un liant, entre les paires de tambours, il est prévu une buse 30 reliée à une conduite d'amenée s'étendant dans la poutre 14. A l'aide des figures 3 et 4, on va maintenant décrire plus en détail la structure de chacun des tambours 28. Selon l'invention, le tambour rotatif 28 présente un axe de rotation A, ainsi qu'une face extérieure 32 et une face intérieure 34 qui sont orthogonales à l'axe de rotation A. Dans la suite de la description, les adjectifs « axial », « radial » et « angulaire » sont considérés par rapport à cet axe A. Le tambour 28 présente en outre une surface périphérique 36 qui s'étend axialement entre la face intérieure 34 et la face extérieure 32. Dans cet exemple, la longueur axiale L du tambour est de l'ordre de 250 mm, tandis que le diamètre Dl de sa surface périphérique 36 est de l'ordre de 800 mm. Comme on le voit sur ces deux figures, chacun des tambours 28 est muni d'une pluralité de dents de coupe 40 qui sont montées sur des supports 42. Ces supports 42 forment des pales de malaxage en forme d'ailerons de requin permettant de mélanger les déblais avec le liant. En l'espèce, la hauteur radiale de chacun des dents de coupe, considérée depuis l'axe A, est de l'ordre de 700 mm. Autrement dit, le diamètre D2 extérieur du tambour (muni des dents) est de l'ordre de 1 400 mm. Selon l'invention, le tambour 28 présente un premier groupe de dents 40' montées sur des supports 42'. En se référant à la figure 3, on comprend que les dents 40' du premier groupe de dents sont celles qui sont montées sur ceux des supports qui sont fixés au plus près de la face extérieure 32. Conformément à l'invention, chacun des premiers supports 42' est arrangé de telle sorte que la face extérieure 32 soit disposée axialement entre la première dent 40' associée et la face intérieure 34. Autrement dit, la première dent 40' est disposée axialement au-delà de la face extérieure 32. Pour ce faire, en l'espèce, chacun des supports 42' est incliné par rapport à un plan P dans lequel s'étend la face extérieure 32. L'angle d'inclinaison 9, mieux visible sur la figure 3A, pourra être choisi entre 10° et 40°. En l'espèce, la distance axiale entre les premières dents 40' et la face intérieure 34 est de l'ordre de 400 mm, soit environ 50 % plus grande que la largeur axiale de la surface périphérique 36. On comprend que les premiers supports 42' formant pales peuvent avantageusement malaxer un volume de sol supérieur à celui qui est malaxé par les outils de l'art antérieur. Comme on le comprend à l'aide de la figure 3, le volume de sol malaxé additionnel référencé Z présente substantiellement la forme géométrique d'un disque épais ayant pour rayon la hauteur radiale des premières dents 40' considérée depuis l'axe A, et pour épaisseur axiale, la distance axiale entre les premières dents 40' et la face extérieure 32. Pour mémoire, le volume malaxé par un outil CSM standard est circonscrit au volume annulaire situé entre la surface périphérique 36 et l'extrémité des dents. Grâce à l'invention, il est donc avantageusement possible d'augmenter le volume malaxé, ou bien, à volume malaxé constant, de diminuer l'encombrement du tambour. En se référant à nouveau à la figure 3, on remarque que le tambour 28 selon l'invention comprend également un deuxième groupe de dents constitué par des deuxièmes dents 40" montées sur des deuxièmes supports 42" fixés à la surface périphérique, ainsi qu'un troisième groupe de dents constitué par des troisièmes dents 40' montées sur des troisièmes supports 42"' également fixés à la surface périphérique. Plus précisément, les deuxièmes supports 42" sont disposés axialement entre les premiers et troisièmes supports 42',42"'. Selon l'invention, les deuxièmes supports 42" sont également inclinés par rapport à un plan orthogonal à l'axe de rotation A, de sorte que, dans cet exemple, les deuxièmes supports 42" sont sensiblement parallèles aux premiers supports 42'. Préférentiellement la distance axiale entre les premières dents 40' et les deuxièmes dents 40" est sensiblement égale à la distance axiale entre les deuxièmes dents 40" et les troisièmes dents 40"'. En se référant à la figure 4, on constate que deux dents successives sont distantes d'un angle a sensiblement égal à 30°. Par ailleurs, deux dents d'un même groupe de dents sont distantes d'un angle sensiblement égal à 90°. Il s'ensuit que le tambour 28 présente quatre dents par groupe, soit douze dents en tout. Le sens de rotation du tambour 28 est symbolisé par la flèche F sur la figure 4. On constate alors que, vue selon ce sens de rotation F, la surface périphérique 36 présente successivement une première dent 40', une deuxième dent 40" et une troisième dent 40"'. La répartition des dents sur le tambour 28 sera mieux comprise en se référant à la figure 5 qui représente un développé de la surface périphérique 36, dans lequel les rectangles correspondent aux bases des supports. Dans cet exemple, la longueur développée LD de la surface périphérique 36 est sensiblement égale à 2 500 mm, dès lors que le diamètre de la surface périphérique du tambour 28 est sensiblement égal à 800 mm. Par ailleurs, deux supports angulairement adjacents ne se chevauchent pas angulairement, comme cela a été représenté sur la figure 5. Selon un autre aspect de l'invention, certaines des dents sont inclinées d'un angle 13 par rapport à leurs supports. Les figures 6A à 6E illustrent, de manière non limitative, différentes configurations des dents du tambour 28. Sur la figure 6A, le support 42"' n'est pas incliné par rapport à la surface périphérique 36, et la dent 40"' n'est pas inclinée par rapport à son support 42m. Sur l'exemple de la figure 6B, le support 42"' n'est pas non plus incliné, tandis que la dent 40"' est inclinée, vers la face extérieure 32, d'un angle (3 par rapport à son support 42"'. En l'espèce, la valeur de l'angle 13 est comprise entre 0° et 30°. L'exemple de la figure 6C se distingue de celui de la figure 6B par le fait que la dent 40"' est cette fois-ci inclinée vers la face intérieure 34. Les exemples des figures 6D et 6E correspondent à des premiers supports, ou éventuellement à des deuxièmes supports, qui sont inclinés comme on l'a décrit ci-dessus. Dans l'exemple de la figure 6D, le support 42' est incliné d'un angle 8, vers la face extérieure, par rapport à un plan Q orthogonal à l'axe de rotation A. La dent 40' n'est cependant pas inclinée par rapport à son support 42'. L'exemple de la figure 6E se distingue de celui de la figure 6D par le fait que la dent 40' est inclinée, vers la face intérieure, d'un angle 13 par rapport à son support. On précise que l'inclinaison de la dent peut aussi être dirigée vers la face extérieure. Comme on le voit notamment sur la figure 3, de préférence, deux dents angulairement adjacentes appartenant à l'un des trois groupes de dents ne présentent pas la même inclinaison par rapport à leurs supports. Ceci est particulièrement visible lorsque l'on se réfère aux troisièmes dents du tambour de la figure 3. Selon un autre aspect de l'invention illustré sur la figure 7, l'outil de malaxage 12 comporte en outre un ou plusieurs racleurs 50 fixés à l'organe de support 26 et s'étendant jusqu'à la surface périphérique 36 du tambour 28 sans toutefois la toucher. Le racleur 50 est muni de deux bras 50a, 50b qui délimitent une ouverture 52. Cette ouverture est inclinée par rapport à un plan orthogonal à l'axe de rotation A, de préférence d'un angle sensiblement égal à l'angle d'inclinaison des deuxièmes supports, afin de permettre le passage de ces derniers au travers de l'ouverture lors de la rotation du tambour. De plus, l'ouverture présente une largeur axiale sensiblement égale à l'épaisseur axiale des deuxièmes supports, grâce à quoi les bras 50a et 50b peuvent efficacement nettoyer les deuxièmes supports lors de leur passage au travers de l'ouverture. Par ailleurs, les bras 50a et 50b sont conformés de telle manière que leurs bords distants de l'ouverture 52 viennent quasiment au contact des premiers et troisièmes supports de dents 42', 42". On comprend ainsi que les bras 50a et 50b permettent en outre de nettoyer les premiers et troisièmes supports en raclant la boue susceptible de s'y accrocher lors de l'opération de malaxage. Enfin, les extrémités radiales des bras 50a, 50b permettent quant à eux de nettoyer la surface périphérique 36. Autrement dit, le racleur 50 permet avantageusement de nettoyer le tambour 28 lors de sa rotation. REVENDICATIONS1. Tambour rotatif (28) d'outil de forage et de malaxage de sol (12), ledit tambour présentant un axe de rotation (A), une face extérieure (32) et une face intérieure (34) orthogonales à l'axe de rotation, et une surface périphérique (36) s'étendant axialement entre la face intérieure et la face extérieure, ledit tambour étant muni d'une pluralité de dents de coupe (40 ?, 40', 40", 40m) montées à l'extrémité de supports (42, 42', 42", 42"') s'étendant radialement depuis la surface périphérique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un premier support (42') muni d'une première dent de coupe (40'), ledit premier support étant arrangé de telle sorte que la face extérieure soit disposée axialement entre la première dent et la face intérieure, grâce à quoi la première dent est disposée axialement au-delà de la face extérieure. 2. Tambour selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier support (42') est incliné par rapport à un plan (P) dans lequel s'étend la face extérieure. 3. Tambour selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un deuxième support (42") muni d'une deuxième dent de coupe (40"), ledit deuxième support étant disposé axialement entre le premier support et la face intérieure. 25 4. Tambour selon la revendication 3, caractérisé en ce que le deuxième support (42") est incliné par rapport à un plan orthogonal à l'axe de rotation. 30 5. Tambour selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un troisième support (42"') muni d'une troisième dent de coupe (40"'), ledit troisième support étant disposé axialement entre le deuxième support et la face intérieure. 35 6. Tambour selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte un premier groupe de dents constitué de premières dents (40') montées sur des premiers supports (42'), un deuxième groupe de dents constitué par des deuxièmes dents (40") montées sur des deuxièmes supports (42") et un troisième groupe de dents constitué par des troisièmes dents (40"') montées sur des troisièmes supports (42"'), et en ce que deux dents angulairement adjacentes de l'un des groupes de dents sont distantes d'un angle sensiblement égal à 90°. 7. Tambour selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que, vue selon le sens (F) de rotation du tambour, la surface périphérique (36) présente successivement une première dent, une deuxième dent, puis une troisième dent. 8. Tambour selon la revendication 7, caractérisé en ce que deux dents successives sont distantes d'un angle a sensiblement égal à 30°. 9. Tambour selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, 20 caractérisé en ce que certaines des dents (40', 40", 40"') sont inclinées par rapport à leurs supports. 10.Tambour selon les revendications 6 et 9, caractérisé en ce que deux dents (40', 40", 40"') angulairement adjacentes appartenant à 25 l'un des groupes ne présentent pas la même inclinaison par rapport à leurs supports. 11.Outil de forage et de malaxage de sol (12) comportant : un ensemble de malaxage (16) constitué d'un organe de support (26) et de deux paires de tambours (28) rotatifs coaxiaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel les tambours de chacune des paires de tambours sont disposés de part et d'autre dudit organe de support ; une poutre (14) ayant des dimensions transversales petites par rapport à l'envergure de l'ensemble de malaxage, ladite 30 35poutre étant fixée à l'organe de support afin de porter l'ensemble de malaxage ; des moyens moteurs, pour entrainer lesdits tambours en rotation, lesdits moyens moteurs étant logés à l'intérieur desdits tambours ; et une buse (30) pour injecter un fluide entre les paires de tambours. 12.Outil de forage et de malaxage de sol selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un racleur (50) fixé au support et s'étendant jusqu'à la surface périphérique. 13.Outil de forage et de malaxage de sol selon les revendications 6 et 12, caractérisé en ce que le racleur comporte une ouverture (52) permettant le passage des dents du deuxième groupe de dents. 14.Outil de forage et de malaxage de sol selon la revendication 13, caractérisé en ce que la largeur axiale de l'ouverture (52) est sensiblement égale ou légèrement supérieure à l'épaisseur axiale des deuxièmes supports.