Brevet FR3158749A1 — publié le 20250801

PROCÉDÉ ET SYSTÈME DE RÉALISATION D’UN PIEU EN BÉTON, PRÉFABRIQUÉ ET COMPRESSIF, ENROBÉ D’UNE GAINE DE TRANSITION Procédé de réalisation d’un pieu au moyen d’un tube de forage (30) et d’un élément de pieu préfabriqué (50) préalablement emboité dans ledit tube, comprenant : une étape (A) de levage et de mise en position du tube de forage (30) ; une étape (B) de forage de couches de sol impropres à une assise d’un pieu, par rotation du tube de forage (30) avec un refoulement latéral des matériaux excavés contre la paroi du trou de forage ; ledit procédé comprenant en outre : une étape (C) de poursuite de la descente du tube de forage (30) dans des couches plus résistantes par une action de battage de l’élément de pieu préfabriqué (50) concomitante à la rotation dudit tube ; une étape (D) de remplissage d’une partie supérieure du tube de forage (30) par du béton frais (55) jusqu’à un niveau fini du pieu ; et une étape (E) de retrait du tube de forage (30). Figure pour l’abrégé : figure 3 Procédé et système de réalisation d’un pieu en béton, préfabriqué et compressif, enrobé d’une gaine de transition La présente invention appartient au domaine général de la réalisation des fondations profondes ou spéciales, notamment celles assurant dans les meilleures conditions l’assise d’ouvrages de génie civil sur des terrains de constitution très hétérogène avec des couches superficielles de trop faible portance. Elle concerne plus particulièrement un procédé de réalisation d’un pieu en béton, préfabriqué et compressif, enrobé d’une gaine de transition, et un système pour la mise en œuvre dudit procédé. Etat de l’art Dans les zones où les couches superficielles du sol ne sont pas adaptées pour recevoir des fondations traditionnelles, en raison de leur incapacité à supporter les charges imposées, l'utilisation de fondations profondes, notamment des pieux, devient nécessaire. Les pieux sont des colonnes longues et minces, fabriquées à partir de matériaux tels que le béton, l'acier ou le bois, conçus pour transférer la charge de la superstructure vers une couche de sol plus profonde et plus stable. Le transfert de charge dans les pieux peut se faire de deux manières principales : via l'appui de la pointe du pieu et par le frottement latéral le long de son fût. Ces deux méthodes peuvent être utilisées séparément ou en combinaison, en fonction des caractéristiques du sol. Les pieux à pointe portante reposent sur une couche de sol résistante en profondeur. La charge est transmise principalement par la pointe du pieu, qui atteint une couche de sol ayant une résistance mécanique suffisante pour supporter la charge. Les pieux à frottement, quant à eux, transfèrent la charge à travers le frottement latéral entre le fût du pieu et les couches de sol qu'il traverse. Ces pieux sont particulièrement utiles dans des sols de qualité moindre, car ils utilisent une surface de contact plus importante pour le transfert de charge. Cependant, leur efficacité peut être réduite en cas de liquéfaction du sol, comme cela peut se produire lors de séismes. Lorsqu’une couche superficielle de terrain présente une faible portance, elle oblige la descente de fondation spéciale par pieux à une profondeur permettant de trouver un ancrage suffisant dans des couches de sols porteurs. Dans ce cas, les couches de faible portance sont généralement constituées de remblais, d’argiles molles, de roches calcaires altérées ou même caverneuses. Actuellement, le procédé le plus utilisé consiste à forer à l’aide d’une mèche hélicoïdale un trou que l’on remplit par injection de béton frais lors de la remontée de la mèche. Il en résulte, dans les couches superficielles précitées, des pressions latérales importantes provoquant des surconsommations de béton, voire des risques de rupture du fût des pieux. En effet, malgré de nombreux progrès accomplis dans la maîtrise de ces pressions du béton, il n’en demeure pas moins que des hauteurs de colonnes de béton frais de l’ordre de vingt mètres par exemple, induisent des poussées latérales contre les parois de forage qui, lorsqu’elles sont constituées de terrains médiocres, s’avèrent supérieures à la limite de fluage de ces terrains, créant ainsi des surconsommations de béton frais, avec des efforts de frottement négatif et des risques de striction du fût des pieux. En résumé, la construction d'ouvrages civils sur des terrains avec des couches de trop faible portance pose un défi majeur en ingénierie des fondations. Les méthodes traditionnelles de fondation ne parviennent pas toujours à atteindre les couches de sols porteurs nécessaires, entraînant un risque pour la stabilité et la sécurité des structures. La présente invention vise à pallier tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur exposés ci-avant en proposant une solution innovante qui consiste à forer par rotation d’un tube métallique enveloppant un élément de pieu en béton préfabriqué après la traversée des terrains impropres à une assise d’un ouvrage de génie civil. L’ancrage du pieu dans les couches de terrain porteur est réalisé toujours en rotation du tube de forage mais aussi en ajoutant conjointement, un battage appliqué sur le tube de forage contenant l’élément préfabriqué pour augmenter la capacité de perforation de l’ensemble constitué du tube de forage et de l’élément béton préfabriqué. Les principaux avantages de ce procédé comprennent une réduction significative du temps de construction et une plus grande précision dans la mise en place des pieux. De plus, l'adaptabilité de ce procédé permet son utilisation dans divers scénarios de construction, le rendant particulièrement utile pour des projets avec des contraintes de terrain complexes. À cet effet, la présente invention a pour objet un procédé de réalisation d’un pieu en béton, pour une fondation profonde d’un ouvrage civil, au moyen d’un tube de forage et d’un élément de pieu préfabriqué, ledit procédé comprenant : une étape de levage et de mise en position du tube de forage ; et une étape de forage de couches de sol impropres à une assise d’un pieu, par rotation du tube de forage avec un refoulement latéral des matériaux excavés contre la paroi du trou de forage. Ce procédé est remarquable en ce que l’élément de pieu préfabriqué est préalablement emboité dans le tube de forage avant l’étape de levage et de mise en position dudit tube, et en ce qu’il comprend en outre : une étape de poursuite de la descente du tube de forage dans des couches plus résistantes par une action de battage de la tête du tube de forage, concomitante à la rotation dudit tube ; une étape de remplissage d’une partie supérieure du tube de forage, située au-dessus de l’élément de pieu préfabriqué, par du béton frais jusqu’à un niveau fini du pieu ; et une étape de retrait du tube de forage. L’élément de pieu en béton préfabriqué possède une longueur déterminée par l’étude de sol afin que son enfoncement étant terminé, il se tienne en dessous du niveau fini du pieu pour éviter le recépage du pieu et ce niveau bas est rattrapé par adjonction dans le tube de forage de béton frais. Selon un mode de réalisation particulier, l’élément de pieu préfabriqué est emboité dans le tube de forage au moyen d’un système de treuils – poulies. Selon un mode de réalisation particulier, la rotation et le battage du tube de forage sont réalisés au moyen d’une table de rotation et d’un mouton respectivement. Il convient de noter que le battage est différent des mouvements de percussion qu’on peut notamment rencontrer des systèmes dits de roto-percussion. Avantageusement, le procédé selon l’invention comprend en outre une étape d’injection, par un conduit traversant longitudinalement le tube de forage, d’un coulis composé d’un mélange de ciment et de produit thixotropique pour améliorer la pénétration des matériaux excavés et compresser par refoulement contre la paroi du trou de forage, une gaine de transition se formant autour du tube de forage. La présente invention a également pour objet un système de réalisation d’un pieu en béton, pour une fondation profonde d’un ouvrage civil, comprenant un mât, une machine porteuse, un tube de forage et un élément de pieu préfabriqué, pour la mise en œuvre d’un procédé tel que présenté. Les concepts fondamentaux de l’invention venant d’être exposés ci-dessus dans leur forme la plus élémentaire, d’autres détails et caractéristiques ressortiront plus clairement à la lecture de la description qui suit et en regard des dessins annexés, donnant à titre d’exemple non limitatif un mode de réalisation d’un procédé et d’un système de réalisation d’un pieu en béton préfabriqué et compressif, conformes aux principes de l’invention. Présentation des dessins Les figures sont données à titre purement illustratif pour une meilleure compréhension de l’invention sans en limiter la portée. Les différents éléments peuvent être représentés de manière schématique et ne sont pas nécessairement à l’échelle. Sur l’ensemble des figures, les éléments identiques ou équivalents portent la même référence numérique. Il est ainsi illustré en : FIG. 1 : une vue en coupe longitudinale d’un système de mise en œuvre du procédé selon un mode de réalisation de l’invention ; FIG. 2 : une vue en coupe transversale du système de la FIG. 1 ; FIG. 3 : les principales étapes du procédé de réalisation du pieu selon l’invention ; FIG. 4 : l’introduction de l’élément de pieu préfabriqué dans le tube de forage au moyen de treuils et de poulies de renvoi ; FIG. 5 : une vue en coupe longitudinale du tube de forage ; FIG. 5 : une vue en élévation du tube de forage de la FIG. 5 ; FIG. 6 : une coupe transversale, selon le plan A – A de la FIG. 5 ; FIG. 6 : une coupe transversale, selon le plan B – B de la FIG. 5 ; FIG. 7 : une vue en coupe de l’enfoncement du pieu selon l’invention ; FIG. 8 : une vue en coupe montrant l’exécution du pieu dans un terrain avec cavité ; FIG. 9 : une coupe transversale de section courante du pieu fini enrobé dans une gaine de transition ; FIG. 10 : une plateforme chenillée pour la mise en œuvre du procédé selon un mode de réalisation de l’invention. Description détaillée de modes de réalisation Il convient de noter que certains éléments techniques bien connus de l’homme du métier sont ici rappelés pour éviter toute insuffisance ou ambiguïté dans la compréhension de la présente invention. Plus particulièrement, il est ici rappelé que pour la conception de fondations sur pieux, une analyse détaillée du sol est cruciale. Cela comprend l'évaluation de la capacité portante des différentes couches de sol, la profondeur à laquelle les couches stables se trouvent, et les conditions potentielles telles que l'érosion ou la liquéfaction. La longueur, le diamètre, le type et le nombre de pieux à utiliser dépendent de ces analyses ainsi que de la charge à supporter et des conditions spécifiques du site de construction, selon des pratiques bien connues dans l’art. Dans le mode de réalisation décrit ci-après, on fait référence à un procédé de réalisation d’un pieu en béton préfabriqué et son système de mise en œuvre, destinés principalement à la fondation d’ouvrages civils. Cet exemple, non limitatif, est donné pour une meilleure compréhension de l’invention et n’exclut pas des alternatives de réalisation proches. Les figures 1 et 2 représentent un système 100 de mise en œuvre d’un procédé de réalisation d’un pieu préfabriqué selon l’invention. Le système 100 comprend un mât polyvalent 10 fixé sur une machine porteuse 12, ledit mât étant apte à pivoter autour d’un axe vertical et à occuper différentes positions : une position de travail P1 et des positions P2 et P3 pour présenter des outils de travail par des chariots 21 et 22, comme représenté sur la FIG. 2 . La rotation du mât 10 se fait au moyen de vérins 11. Les chariots 21 et 22 portent respectivement une table de rotation 211 et un système de battage non représenté, et peuvent coulisser indépendamment l’un de l’autre. La FIG. 1 représente la phase de forage par entraînement d’un tube de forage 30 dans lequel est logé un élément de pieu préfabriqué 50. Le tube de forage 30 présente à son extrémité inférieure une pointe 31 équipée de doigts de désagrégation 311 pour perforer le sol. La manutention des chariots 21 et 22 est assurée par des treuils 13 ou des par des chaines de manutention. En outre, l’adaptation du mât 10 sur le sol est assurée par un vérin 14 qui prend appui sur un socle 15. Le système 100 ainsi décrit permet de mettre en œuvre un procédé de réalisation d’un pieu préfabriqué et compressif selon un mode de réalisation de l’invention. La FIG. 3 représente les principales étapes de ce procédé, comprenant : une étape A de levage et de mise en position du tube de forage 30 ; une étape B de forage de couches de sol impropres à une assise du pieu, par rotation du tube de forage 30 avec refoulement latéral des matériaux excavés contre la paroi du trou de forage ; une étape C de poursuite de la descente du tube de forage 30 dans des couches plus résistantes par une action de battage de l’élément de pieu préfabriqué 50 concomitante à la rotation dudit tube ; une étape D de remplissage de la partie supérieure du tube de forage 30, située au-dessus de l’élément de pieu préfabriqué 50, par du béton frais 55 jusqu’au niveau fini du pieu ; et une étape E de retrait du tube de forage. Le battage lors de l’étape C se fait non pas directement sur l’élément de pieu préfabriqué 50, mais sur la tête du tube de forage 30. A cet effet, le mouton de battage 60 coulisse en partie dans le tube de forage pour être guidé et présente un épaulement périphérique 61 qui bat le bord de la tête du tube de forage. Ce bord est renforcé mécaniquement pour résister aux effets de matage. Le retrait du tube de forage 30 peut se faire au moyen d’un vérin agissant sur un palonnier équipé d’un jeu de poulies de renvoi qui agissent sur des chaines de manutention. La FIG. 4 représente un moyen d’emboiter l’élément de pieu préfabriquée 50 dans le tube de forage 30 au moyen du treuil 13 fixé sur ledit tube de forage et tirant sur l’élément de pieu 50 à l’aide d’un câble passant dans une poulie de renvoi. La FIG. 5 montre le tube de forage 30 avec l’ensemble des éléments agencés pour enfoncer le pieu dans le sol. Selon l’exemple de réalisation illustré, le tube de forage 30 est équipé sur la face extérieure de sa paroi, de profilés métalliques carrés 32, orientés selon des inclinaisons en opposition comme le montre la FIG. 5 , et des profilés métalliques 33 disposés longitudinalement. Le tube de forage 30 et l’élément de pieu préfabriqué 50 sont reliés ensemble par une barre 35 en acier. Au niveau de la partie sommitale de l’élément de pieu préfabriqué 50, le tube de forage 30 peut être renforcé par une collerette en acier. Cela a pour effet d’élargir le tube de forage 30 à partir de ce renforcement et de lui permettre de résister aux effets de choc du battage (matage). Bien que moins efficace, on peut néanmoins coiffer le tube de forage par un batteur automatique. Sur les vues de coupe des figures 6a et 6b, l’élément de pieu préfabriqué 50 apparait biseauté, cette forme permettant son insertion au plus près dans le tube de forage 30. Plus particulièrement, les figures 5b et 6b représentent le profilé métallique 33 disposé longitudinalement pour permettre l’appréhension de la table de rotation 211 représentée sur la FIG. 1 . La FIG. 7 représente l’exécution d’un pieu réalisé selon le procédé de la présente invention avec, à gauche de la figure, la traversée du tube forage 30 d’un terrain peu consistant TM grâce à son entraînement par la table de rotation 211 sur laquelle il se couple. Cette traversée provoque le refoulement des matériaux excavés 210 contre les parois du forage. À partir de l’entrée du tube de forage 30 dans la couche de terrain dur porteur TD, on obtient la réalisation de l’ancrage du pieu en utilisant en concomitance deux fonctions : d’une part, la rotation engendrée par la table de rotation 211 et d’autre part, un système de battage appliqué sur la tête du tube de forage 30. Ce battage est obtenu par l’animation d’un mouvement vertical de va et vient d’un mouton sec 60. Afin d’améliorer la portance du terrain, on injecte par l’extrémité inférieur du conduit 40 un coulis 150 composé d’un mélange de ciment et de produit thixotropique ayant pour fonction d’améliorer la pénétration des matériaux excavés et de compresser par refoulement contre la paroi du sol encaissant, une gaine 250 entourant le tube de forage 30. À la droite de la FIG. 7 , est représenté le tube de forage 30 ancré dans terrain porteur TD rempli de béton frais 55 en partie supérieure jusqu’au niveau fini du pieu. La FIG. 8 concerne le cas assez courant de la présence de poches de dissolution dans des formations géologiques de calcaire ayant subi l’érosion due à des circulations aquatiques. La mise en œuvre de l’élément de pieu préfabriqué 55 sur toute la hauteur de la cavité C permet de la ponter sans être obligé de disposer une gaine perdue habituelle pour contenir le béton frais lors de la constitution du pieu. La FIG. 9 représente l’élément de pieu préfabriqué 50 courant, enrobé dans sa gaine cimentée 250. Cette gaine est obtenue par une injection d’un coulis thixotropique adjuvanté par du ciment et malaxé avec les matériaux provenant de la trituration des doigts d’attaque 311 et de refoulement du tube de forage 30 contre la paroi du sol encaissant. Il faut comprendre que certes, il existe des système de pieu injectés mais la novation de cette invention consiste à récupérer et à améliorer les caractéristiques de frottement de matériaux en place pour créer une gaine de transition entre la paroi du pieu béton préfabriqué et le sol encaissant. La FIG. 10 représente une solution qui permet de mettre en œuvre les moyens importants nécessaires pour réaliser des pieux de diamètre supérieur à 0,500m en prenant par exemple un pieu de diamètre 0,610m en tête dont l’élément en béton préfabriqué 55 est un carré de 0,570m de côté biseauté, avec une longueur de 15m par exemple. Le tube de forage 30 présente quant à lui un diamètre 0,610m avec une longueur de 19m par exemple. Cela donne les charges suivantes : pour l’élément préfabriqué 55 : 10T ; pour le tube de forage 30 : 2T. Soit un total de 12T, et si on ajoute la table de rotation 211 que l’on peut estimer de l’ordre de 4T, on obtient une poussée totale sur la tête de forage 31 de l’ordre de 16T. Il en résulte un avantage certain pour faciliter l’exécution du pieu mais en contrepartie cette solution oblige l’usage d’un porteur pesant de l’ordre de 50T pour assurer sa stabilité, or ce matériel est d’un usage très onéreux. En conséquence, la présente invention prévoit aussi, l’utilisation d’une plateforme chenillée 500 tenant sur un côté une table de rotation 510 solidement fixée. Cette table de rotation 510 assure un passage libre 511 et deux glissières d’entrainement 515 du tube de forage qui sont fixées longitudinalement sur sa face interne. La plateforme reçoit un groupe hydraulique 520 pour l’alimentation des différents postes de travail. L’extraction du tube de forage 30 est obtenue par un vérin 531 agissant sur un palonnier 532 équipé de deux paires de deux poulies de renvoi 535 agissant sur des chaînes de manutention (non représentées). Le procédé et son système de mise en œuvre permettent non seulement d'atteindre des profondeurs significatives pour trouver un ancrage adéquat mais offre également une plus grande flexibilité et une meilleure adaptabilité aux conditions de terrain variées. La méthode se distingue par son efficacité, sa rapidité de mise en œuvre, et sa capacité à minimiser les impacts sur l'environnement immédiat du site de construction. Procédé de réalisation d’un pieu en béton, pour une fondation profonde d’un ouvrage civil, au moyen d’un tube de forage (30) et d’un élément de pieu préfabriqué (50), ledit procédé comprenant : une étape (A) de levage et de mise en position du tube de forage (30) ; une étape (B) de forage de couches de sol impropres à une assise d’un pieu, par rotation du tube de forage (30) avec un refoulement latéral des matériaux excavés contre la paroi du trou de forage ; et caractérisé en ce que l’élément de pieu préfabriqué (50) est préalablement emboité dans le tube de forage (30) avant l’étape (A) de levage et de mise en position dudit tube, et en ce qu’il comprend en outre : une étape (C) de poursuite de la descente du tube de forage (30) dans des couches plus résistantes par une action de battage de la tête du tube de forage (30), concomitante à la rotation dudit tube ; une étape (D) de remplissage d’une partie supérieure du tube de forage (30), située au-dessus de l’élément de pieu préfabriqué (50), par du béton frais (55) jusqu’à un niveau fini du pieu ; et une étape (E) de retrait du tube de forage (30). Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’élément de pieu préfabriqué (50) est emboité dans le tube de forage (30) au moyen d’un système de treuils – poulies (13). Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la rotation et le battage du tube de forage (30) sont réalisés au moyen d’une table de rotation (211) et d’un mouton (60) respectivement. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape d’injection, par un conduit (40) traversant longitudinalement le tube de forage (30), d’un coulis (150) composé d’un mélange de ciment et de produit thixotropique pour améliorer la pénétration des matériaux excavés et compresser par refoulement contre la paroi du trou de forage, une gaine de transition (250) se formant autour du tube de forage (30). Système (100) de réalisation d’un pieu en béton, pour une fondation profonde d’un ouvrage civil, comprenant un mât (10), une machine porteuse (12), un tube de forage (30) et un élément de pieu préfabriqué (50), pour la mise en œuvre d’un procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes.