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procédé de fonçage des puits en terrains aqui- ±ères et puits en résultant .
Pour le fonçage des puits, en particulier des puits de mine, dans les terrains aquifères, on procède, en général à ltheure actuelle, soit par cimentation, soit par congélation du terrain .
Le procédé par cimentation consiste à injecter du ciment dans les terrains à traverser au fur et à mesure du fonçage, à la fois latéralement et vers le bas . Ce procédé présente des inconvénients importants : il entraîne une grosse consommation de ciment, souvent en pure perte si le fonçage a lieu à travers du sable qui laisse s'écouler le ciment injecté; par contre, si le ciment reste à l'endroit injecté, il joue bien son rôle, mais
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en même temps qu'il raffermit le terrain latéral, il durcit inutilement la zone immédiatement inférieure, dans laquelle le fonçage doit se poursuivre et qui est, de ce fait, rendu plus difficile .
Le procédé par congélation, consiste à congeler, au préalable, un cylindre vertical de terrain de même axe que le puits à foncer mais de plus grand diamètre . Le fon- çage a ensuite lieu dans le terrain congelée Le puits est sur toute sa hauteur pourvu d'un revêtement formé/de l'intérieur du puits vers l'extérieure'un cuvelage métallique et d'une paroi en béton.
Les deux éléments constitutifs de ce revêtement ont une épaisseur croissante depuis la surface jusqu'au fond du puits de manière à pouvoir résister aux poussées des terres et de l'eau après décongélation du terrain. Il en résulte, naturellement, un volume considérable de matériaux à mettre en oeuvre .
Malgré la carapace, importante ainsi constituée, on a toujours cherché à cimenter les terrains derrière le revêtement d'un puits foncé par congélation. On procède : soit par injection de ciment dans les terrains par les sondages de congélation, soit par injection de ciment par des sondages, pratiqués à travers le revêtement du puits, après décongélation.
Le premier procédé s'est révélé inefficace, car, en général, les tubes congélateurs sont très difficiles à arracher et l'argile de l'eau lourde dont on a dû se servir au cours de la perforation des sondages a obturé toutes les voies de pénétration pour le ciment .
Le deuxième procédé se révèle délicat à employer parce qu'on opère l'injection de ciment contre des pressions d'eau importantes, qu'il faut vaincre par des pressions d'in-
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jeotion plus considérables dont les effets sur le cuvelage peuvent être assez dangereux de sorte qu'en fait, cette cimen- tation derrière le revêtement n'est jamais exécutée .
En résumé, la congélation permet d'exécuter le fonçage avec le minimum de risques, tandis que la cimentation consolide les terrains autour du puits, de façon à assurer à celui-ci le maximum de solidité et de durée. autrement dit, la congélation apporte le maximum de sécurité pendant le fon- çage; la cimentation apporte le maximum de sécurité après le fonçage .
La. présente invention a pour objet un procédé de fonçage des puits qui réunit les avantages des procédés connus par congélation et par cimentation sans en présenter les inconvénients .
Ce procédé simple, bon marché et n'offrant aucun risque est remarquable notamment en ce qu'il consiste : à foncer le puits dans un terrain entièrement congelé , à poser contre les parois du puits un revêtement moins épais que celui calculé pour assurer la durée du puits ( ce qui permet de diminuer le diamètre de fonçage) , à décongeler ensuite le terrain sur une certaine épaisseur autour de ce revêtement , tout en maintenant, autour de la zone décongelée, un mur de terrains congelés continu, pratiquement invariable et d'épaisseur suffisante pour résister à la poussée des eaux , et enfin à l'abri de la barrière constituée par les terrains congelés à cimenter méthodiquement et intégralement toute la partie de terrains décongelés, située entre le revêtement du puits et les terrains congelés ,
Selon une autre caractéristique,
la zone décongelée
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étant obtenue, on fait, par zones successives et en descendant à partir du niveau piézométrique, des ponctions de l'eau contenue dans l'espace annulaire compris entre le revêtement et le mur de terrains congelés, on lave en outre cet espace. de façon à le débarrasser des terrains ou naturellement sableux ou devenus sableux après la décongélation et on cimente ensuite soigneusement le volume annulaire ainsi préparé.
En opérant ainsi de haut en bas jusqu'au pied du niveau aquifère, on a débarrassé la paroi sur une profondeur par exemple de l'ordre de 0m, 50 à 0m, 75 autour du revêtement de ses parties sans consistanceet on le consolide d'une fa- çon d'autant plus efficace qu'on a fait un nettoyage préalable.
L'invention a également pour objet l'appareillage nécessaire à Inapplication du procédé perfectionné ci-dessus, ainsi que les puits obtenus par ce procédé.
Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple : la figure 1 est une coupe, longitudinale, schématique, d'un puits et du terrain environnant, pendant la période d'injection du ciment ; la figure 2 est une coupe, verticale, partielle, à plus grande échelle, du puits et du terrain environnant pendant la même période ; la figure 3 est une coupe, horizontale, correspondante ; la figure 4 est un graphique des températures, suivant un rayon du puits ; la figure 5 est une vue, de face, d'une portion du cuvelage du puits et de l'appareillage pour la mise en oeuvre du procédé ; la figure 6 est une coupe, horizontale, de ce re-
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vêtement,montrant en plan cet appareillage ; la figure 7 est un détail de raccordement de l'ap- pareillage au cuvelage .
Le fonçage d'un puits, selon le procédé objet de l'invention, va.être exposé en détail ci-après .
Soit X-X (figures 1-2-5) l'axe vertical du puits à foncer. On commence à congeler les terrains, à la manière habituelle, sur une certaine distance concentriquement à l'axe X-X,en envoyant de la saumure dans une série de tu- bes 1 (figures 2-5) enfoncés dans les terrains autour de la zone cylindrique de rayon devant correspondre au puits .
Une fois les terrains congelés, on fonce le puits, à la manière habituelle et on recouvre ses parois d'un re- vêtement constitué : d'une part, d'un cuvelage 2, formé d'éléments réunis à la manière usuelle et pourvus, certains d'entre eux tout au moins, (par exemple un sur deux) d'un trou taraudé 3 (figures 5-6-7) , et, d'autre part, d'une paroi 4 ( figures 1-2-3) en béton d'épaisseur constante ou sensiblement constante et relativement réduite .
Pour fixer les idées par quelques chiffres numéri- ques la congélation peut, par exemple, être la suivante : a) distance des sondages de congélation au revête- ment du puits au sommet de la zone aquifère 2m, 65 à la base de la zone aquifère .......... 2m,30 en b) teneur moyenne en eau du terrain: 20 % #volume o)quantité de froid nécessaire pour faire passer 1 kg de terrain aruifère de T en dessus de zéro à t en des- sous Q = 0,289 T + 0,239 t + 8
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Ces données numériques correspondent à un fon- çage en cours d'exécution à Faulquemont .
Au cours du fonçage on effectuera un certain nombre de mesures, les seuls points de la zone congelée qui soient continuellement accessibles et où il est possible d'effectuer des mesures à chaque instant sont les points situés à l'intérieur des tubes 1 de congélation.
D'autre part, il est possible,au cours du fon- çage, de suivre du c8té intérieur la progression du mur de glace ou plus exactement de terrains congelés .
Il est donc possible d'établir expérimentalement la relation qui existe :pendant la congélation entre la distance de la paroi intérieure du mur de glace à l'axe X-X du puits et la température dans les sondages de congélation (en particulier la température de la saumure à son entrée et à sa sortie ).
Au cours du fonçage on se laisse à différents niveaux du puits la possibilité de mesurer exactement les températures dans les terrains, par exemple jusqu'à 1 mètre derrière l'extrados du revêtement 4 de béton.
Une fois le revêtement 2-4 terminé, il faut décongeler , en 5, ( figures 1 à S) le terrain autour du béton 4 sur une certaine épaisseur radiale el (figures 1 à 3) par exemple de l'ordre de cinquante à soixante-quinze centimètres tout en ayant soin de conserver autour de la zone 5 décongelée un mur de glace continu 6.
Ce mur de glace 6 limité aux surfaces 7 et 8 doit avoir une épaisseur rédiale e2,suffisante pour protéger le puits et la zone décongelée 5 qui l'entoure de la masse des eaux souterraines et susceptible de résister au moins sur une hauteur réduite à la pression de ces eaux. cette épaisseur e 2 peut être, par exemple, de l'or- dre de deux mètres .
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or, après un fonçage par congélation, quand on arrête l'apport du froid dans le terrain et si on arrête en outre toute circulation dans le tube 1, le mur de glace qui entoure le revêtement du puits et dans lequel les tempêratures les plus basses se trouvent au voisinage de la surface cylindrique formée par les sondages 1 de congélation se réchauffe .
Ce réchauffage se fait uniquement par les pa- rois,. du côté intérieur par apport des calories de l'air circulant dans le puits, du côté extérieur par retour à l'équilibre des températures avec la masse des terrains. De sorte que le mur de glace s'amincit de part et d'autre du cylindre formé par les axes des sondages, mais d'une façon générale en maintenant sa continuité ,
Suivant l'invention on doit d'une part faire un apport de chaleur, à l'intérieur du puits, et d'autre part un apport de froid dans les congélateurs 1, de manière à maintenir ou mieux à refouler vers l'extérieur la surface extérieure 7 du mur de glace, la surface intérieure 8 de ce mur étant de son côté maintenue à la distance radiale e1 du revêtement 4.
Pour cela on agit, d'une part sur la température et la quantité d'air circulant dans le puits, et d'autre part sur la température et la ouantité de saumure circulant dans les congélateurs 1.
Pour la détermination des quantités de frigories et de calories à apporter, on se basera sur les considérations théoriques suivantes : au cours de la congélation, la saumure a, dans le congélateur, au retour, à un moment donné et à chaque niveau
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une température Ts ( voir graphique de la figura 4).
A partir de cette température Ts, en s'éloignant horizontalement suivant un rayon du puits, du côté intérieur et du côté extérieur de la surface Y-Y des sondages, les températures s'élèvent suivant une courbe ayant l'allure représentée à ladite figure 4.
Du côté extérieur, la température Ts est la tempé- rature de la masse des terrains au niveau considéré .
Du côté intérieur, etest la température à ltinter- section du niveau considéré et de l'axe X-X du puits; elle peut être inférieure à 0 .
On va considérer le côté extérieur, Les frigories apportées de ce côté par le courant de saumure s'écoulent à travers les terrains, une part est utilisée pour abaisser la température en chaque point de la zone en refroidissement, et faire reculer la paroi 7 congelée et la distance où on re- trouve la température normale des terrains, une autre part se perd dans la masse des terrains sans effet apparent .
;tant donné un état quelconque de la congélation, le volume de saumure en circulation et sa température d'en- trée sont réglés de façon telle que le terrain garde à chaque niveau au contact du retour de la saumure une,température cons tante. Si cet état est réalisé, la courbe . de la figure
4 représentant les températures des terrains et, en particu- lier, la position de la surface 7 de la partie 6 congelée ne subit pas de variations, autrement dit: la Quantité de froid apportée par la saumure est entièrement véhiculée sans effet vers la masse des terrains. On réalise ainsi la constance du mur de glace côté extérieur .
Il ne peut en être ainsi du cote intérieur où la masse des terrains est finie et où l'équilibre final serait l'établissement de la température Ts dans toute la masse, à
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moins dty établir un courant susceptible d'emporter les frigories .
Ce courant ri-chauffant ne permet pas d'arrêter l'effet de congélation dtune façon absolument arbitraire, car la répartition des frigories sur les deux faces vers lesquelles elles s'écoulent à partir du cylindre des sondages 1 dépend des états relatifs de ces deux faces .
On va appeler t la température de retour de la saumure au moment où dans la progression de la congélation, la surface intérieure 8 de la couronne cylindrique congelée se trouve à 0m, 50 en arrière de l'extrados du revêtement 4. A ce moment, la surface extérieure de cette même couronne congelée est 7 ( figure 1). On pourrait à ce moment, le puits étant fermé, régler l'apport de frigories de façon que la surface 7 reste stationnaire . Mais une part Fi de ces frigories serait absorbée par le noyau interne, et la paroi du mur de glace progresserait vers l'intérieur .
Si maintenant, le puits étant aéré, on veut stabiliser en même temps les deux faces du mur de glace dans les positions respectives 7 et 8, il faut que le courant dtair intérieur absorbe précisément la quantité totale de frigories Fi,
En définitive ,il s'agit de réaliser ; le retour du mur de glace équivalent à ce qu'il était quand la température de 0 atteignait intérieurement la surface cylindrique 8 située à Om,50 en arrière de l'extrados du revêtement , le maintien du mur de glace à cet état en disposant pour cela dans le sondage, du courant de saumure et, dans le puits, d'un courant d'air réchauffé s'il y a lieu .
La température à atteindre dans les sondages est connue approximativement par les mesures faites au cours de la congélation et du fonçage .
La situation du mur de glace se suit p ar les ob-
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servations ( qui ont été préparées), des températures à l'extrados du revêtement .
En pratique l'opération se divise en deux phases : .Au cours de la première phase, le puits est isolé; pour cela, on ne dispose que du courant de saumure. C'est une période d'attente où il suffit de limiter le dégel.On arrête la circulation de saumure . On la remet périodiquement en route de façon à s'assurer qu'en 48 heures, il est possible de retrouver le régime de congélation tel, que les températures des sondages soient de 2 à 3 degrés inférieures à la température correspondant au mur de glace vers le quel on désire revenir .
Au cours de la deuxième phase le puits est en circuit d'aérage; disposant dtune part du courant de saumure, d'autre part du courant d'air, on réalise, par tétonnement , l'équilibre du mur de glace tel quton désire l'obtenir peur l'opération envisagée.
L'équilibre à réaliser peut être aisément obtenu, car la quantité de calories que peut apporter le courant d'air est très supérieure à la quantité totale de frigoriea que la congélation a pu apporter dans le puita au stade t, et fortiori à la part- de ces frigories cédée du côté intérieur du mur de glace .
Cela résulte en effet du bilai; thermique ciaprès : a) quantité de calories abandonnée en 1 heure par un courant d'air de 100 mètres cubes par seconde et dont la température stabaisse de 1
EMI10.1
air sec.................. 0.000 paieries environ air saturé...............365.000 calories environ b) quantité de calories absorbées par le cuvelage de fonte pour élever sa température de 1 :
1.268.000 calories environ
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c) quantité de calories, absorbées par le revêtement de béton pour élever sa température de 1 :
3.224.000 calories environ d) quantité de calories absorbées pour élever de 1 la température du cylindre de terrain enveloppant le revêtement (épaisseur 0m, 50) eau congelée ...........3.500.000 calories environ eau dégelée*............4.800.000 calories environ e) quantité de calories nécessaires pour provoquer la fusion de la: glace dans ce même cylindre :
117.000.000 calories
Finalement, au bout d'un temps déterminé, le terrain se trouve décongelé dans l'intervalle 5 compris entre le revêtement 4 et la surface cylindrique 8.
On continue ensuite à le maintenir dans cet état d'après les considérations et les données précitées .
Il reste à effectuer la purge, le lavage et la cimentation de l'intervalle 5.
On opère par passes successives de quinze à vingt cinq mètres de hauteur suivant les terrains, en descendant et à partir du niveau piézométrique, et on utilise par exemple l'appareillage décrit ci-après et représenté aux figures 5 à 7.
Sélon cet exemple d'exécution, les orifices 3 taraudés ménagés dans les segments 4 du cuvelage de la hauteur de la passe sont munis d'éléments tubulaires 9 (figures 6-7) vissés dans ces orifices 3 de façon étanche .Chaque élé-
9 ment/est pourvu d'un robinet à boisseau 10 (figures 5-6-7) suffisant pour laisser passer un fleuret de marteau perforateur .
Sur chaque tube 9 entre le robinet 10 et le cuvelage 2, un filetage, muni d'un robinet 11 (figure 7)permet
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de placer un manomètre .
Les tuyaux 9situés au même niveau sont reliés sur une couronne tubulaire 12, raccordée à une extrémité à un tuyau vertical 13 et à l'autre extrémité à un tuyau vertical 14.
Le tuyau 13 a son niveau supérieur de 1m, 50 environ au-dessus de la couronne 12 supérieure, et son extrémité inférieure dépasse de deux mètres au moins le niveau de la couronne inférieure .Il est puvert à l'extrémité supérieure .L'extrémité inférieure peut être fermée par. un robinet 15 (figure 5). Elle est munie d'un élément de tuyau 16 en caoutchouc pernettant d'amener l'eau qui s'en échappe en un point quelconque de la section du puits .
Le tuyau 14 est fermé à son extrémité inférieure par un robinet 17, il se prolonge cinquante mètres ou plus au-dessus de la couronne supérieure 12 et il comporte, par exemple, de dix mètres en dix mètres des tés 18 (figure 5) permettant de le raccorder par un tuyau 19 au fond d'une cuve non représentée, suspendue dans le puits à l'extrémité d'un cble et destinée à contenir l'eau ou le lait de ciment.
Sur chaque couronne horizontale 12 il est prévu un robinet 20 entre chaque tuyau 9.Chacune des liaisons qvec les tuyaux 13 et 14 peut être fermée par un robinet 21 ou 22 (figures 5-6).
Tour une passe, c'est-à-dire pour une portion telle que ab , ou bc ... (figure 1) du puits la marche de l'opération est la suivante : @ travers chaque robinet 9 et trou 3, on fore un trou de sonde jusqutà la partie 6, congelée du terrain.
On procède ensuite à la vidange de la portion correspondante de l'intervalle annulaire 5, Pour cela on
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ouvre l'ensemble de tous les robinets sans toutefois raccorder le tuyau 14 à la cuve à eau. On recueille et mesure l'eau s'écoulant à l'extrémité inférieure du tuyau 13.
On procède ensuite au lavage .Tour cela on racoorde le tuyau 14 avec la cuve à eau en maintenant celle-ci pleine d'eau à une température voisine de 0 .Pour s'assurer de cette température, on a soin de laisser en permanence dans la cuve des blocs de glace .
On essaie sur la seule couronne inférieure 12 toutes les combinaisons de passage de l'eau de trou 3 à trou 3 par derrière le cuvelage 2 et le revêtement 4. On fait varier le niveau de la cuve en charge suivant que le passage se fait plus ou moins facilement.
On fait ensuite la même opération avec l'avant-dernière couronne 12, à partir du bas, puis entre celle-ci et la dernière couronne traitée précédemment.On procède de même avec la troisième couronne, en montant, puis entre celle-ci et les deux qui sont au-dessous et ainsi de suite jusqu'à la couronne 12 supérieure, en multipliant autant que possible les chemins offerts à l'eau.
On a soin de recueillir et de mesura*le sable enlevé. on procède enfin à la cimentation.On envoie le lait de ciment par la couronne 12 inférieure en le faisant refluer successivement par les autres couronnes en remontant, ceci jusqu'à la couronne la plus élevée. On laisse reposer, on vérifie le niveau supérieur du ciment et on recommence partir 'de celui-ci la même opération.
On laisse reposer de nouveau et on reprend la cimentation à partir de la couronne qui se trouve au-dessus du niveau du ciment qui s'établit, et ainsi de suite jusqu'à la partie supérieure .
Il y a lieu de remarquer que toute communication avec la masse des eaux située derrière la partie con-
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gelée 6 à la suite d'une fuite dans cette partie 6 se- rait révélée par les manomètres placés sur les tubes 9 et plus simplement par le régime d'écoulement des eaux.
On arrêterait immédiatement le lavage .
La cimentation devrait alors stopérer à une pression supérieure à celle des eaux.
Naturellement les divers tubes doivent pouvoir résister à ces pressions.
Le temps d'exécution de l'opération même de la cimentation est court( quelques jours pour une passe), le matériel nécessaire est d'un prix peu élevé.
Il faut, par contre, disposer dtune ventilation suffisante .Il,est nécessaire de laisser l'usine de congélation en état' de marche, après la traversée des terrains aquifères . Ce sont les frais occasionnés par le maintien de la congélation qui conditionnent l'économie de l'opération.
Mais, en fait, stil s'écoule plus de temps entre le moment où on a passé la période de congélation favorable à la cimentation et la fin du fonçage en terrains aquifères qu'entre ce moment et l'ouverture du circuit d'aérage, il n'y a pratiquement que peu ou pas de frigories à dépenser.
0*est ce qui peut avoir lieu dans la plupart des cas .
D'autre part, la possibilité de pratiquer la cimentation permet, en renforçant les terrains, une réduction de l'épaisseur du revêtement en béton, ce qui compense très largement le prix de cette cimentation et sa durée.
L'opération ne comporte aucun risque. La mise en oeuvre du procédé (en particulier du lavage) qui dépend de la nature des terrains, se fait dans une zone où la sécurité est absolue.
Les avantages du procédé par la: congélation sont, en outre, conservés; on épargne tout le ciment, qui
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dans le procédé par cimentation, se perd dans les terrains compris dans le périmètre de creusement; en outre, on gagne du temps sur la durée du fonçage .
Naturellement l'invention n'est nullement limitée au mode d'exécution représenté et décrit qui n'a été choisi qu'à titre d'exemple .
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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process for sinking wells in aquifers and resulting wells.
For the sinking of shafts, in particular mine shafts, in aquifers, one proceeds, generally at present, either by cementing or by freezing the ground.
The cementation process involves injecting cement into the terrain to be traversed as it is sinking, both laterally and downwards. This process has significant drawbacks: it involves a large consumption of cement, often a waste if the sinking takes place through sand which allows the injected cement to flow; on the other hand, if the cement remains at the injected place, it plays its role well, but
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at the same time as it strengthens the lateral terrain, it unnecessarily hardens the area immediately below, in which the driving must continue and which is, therefore, made more difficult.
The freezing process consists in freezing, beforehand, a vertical cylinder of land with the same axis as the well to be sunk but of larger diameter. The sinking then takes place in the frozen ground. The well is provided over its entire height with a formed lining / from the inside of the well to the outside with a metal casing and a concrete wall.
The two constituent elements of this coating have an increasing thickness from the surface to the bottom of the well so as to be able to withstand the thrusts of the earth and of the water after the ground has thawed. This naturally results in a considerable volume of materials to be used.
Despite the large shell thus formed, attempts have always been made to cement the grounds behind the lining of a dark well by freezing. The procedure is: either by injecting cement into the soil by freezing boreholes, or by injecting cement by boreholes, made through the lining of the well, after thawing.
The first method proved ineffective, because, in general, the freezer tubes are very difficult to tear off and the clay of the heavy water which had to be used during the perforation of the boreholes blocked all the channels of the borehole. penetration for cement.
The second process turns out to be difficult to use because the injection of cement is carried out against high water pressures, which must be overcome by negative pressures.
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More considerable emotion whose effects on the casing can be dangerous enough so that in fact this cementation behind the coating is never carried out.
In summary, freezing allows the sinking to be carried out with the minimum of risk, while cementing consolidates the ground around the well, so as to ensure the latter the maximum strength and duration. in other words, freezing provides maximum safety during sinking; cementation provides maximum safety after sinking.
The present invention relates to a process for sinking wells which combines the advantages of the known processes by freezing and by cementing without exhibiting the drawbacks thereof.
This simple, inexpensive and risk-free process is remarkable in particular in that it consists of: sinking the well in completely frozen ground, laying against the walls of the well a coating less thick than that calculated to ensure the duration of the well (which makes it possible to reduce the diameter of the sinking), to then thaw the ground to a certain thickness around this coating, while maintaining, around the thawed zone, a wall of continuous frozen ground, practically invariable and of sufficient thickness to withstand the pressure of water, and finally sheltered from the barrier formed by the frozen ground to be methodically and fully cemented all the part of the thawed ground, located between the lining of the well and the frozen ground,
According to another characteristic,
the thawed area
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being obtained, punctures of the water contained in the annular space between the coating and the wall of frozen ground are made in successive zones and descending from the piezometric level, this space is also washed. so as to rid it of soils which are naturally sandy or which have become sandy after thawing, and the annular volume thus prepared is then carefully cemented.
By operating in this way from top to bottom to the foot of the aquifer level, the wall has been cleared to a depth for example of the order of 0m, 50 to 0m, 75 around the coating of its parts without consistency and it is consolidated with this is all the more effective as a preliminary cleaning has been done.
A subject of the invention is also the equipment necessary for the application of the above improved method, as well as the wells obtained by this method.
In the accompanying drawings, given only by way of example: FIG. 1 is a longitudinal, schematic section of a well and the surrounding terrain, during the period of injection of the cement; FIG. 2 is a section, vertical, partial, on a larger scale, of the well and the surrounding terrain during the same period; FIG. 3 is a corresponding horizontal section; FIG. 4 is a graph of the temperatures, along a radius of the well; FIG. 5 is a front view of a portion of the casing of the well and of the equipment for implementing the method; Figure 6 is a horizontal section of this re-
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clothing, showing this apparatus in plan; FIG. 7 is a detail of the connection of the apparatus to the casing.
The sinking of a well, according to the method which is the subject of the invention, will be explained in detail below.
Let X-X (figures 1-2-5) be the vertical axis of the shaft to be driven. We begin to freeze the land, in the usual way, for a certain distance concentrically to the axis XX, by sending brine in a series of tubes 1 (figures 2-5) embedded in the soil around the area. cylindrical of radius to correspond to the well.
Once the ground is frozen, the well is sunk in the usual way and its walls are covered with a covering consisting of: on the one hand, a casing 2, formed of elements joined together in the usual way and provided , some of them at least, (for example one in two) of a tapped hole 3 (figures 5-6-7), and, on the other hand, of a wall 4 (figures 1-2- 3) concrete of constant or substantially constant and relatively small thickness.
To fix ideas with a few numerical figures the freezing can, for example, be the following: a) distance from the freezing boreholes to the lining of the well at the top of the aquifer zone 2m, 65 at the base of the aquifer zone .......... 2m, 30 in b) average water content of the ground: 20% #volume o) quantity of cold necessary to make pass 1 kg of aruiferous ground from T above zero to t in des- under Q = 0.289 T + 0.239 t + 8
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These digital data correspond to sinking in progress at Faulquemont.
During the sinking, a certain number of measurements will be carried out, the only points of the frozen zone which are continuously accessible and where it is possible to carry out measurements at any time are the points located inside the freezing tubes 1.
On the other hand, it is possible, during sinking, to follow from the inside the progress of the ice wall or more exactly of frozen ground.
It is therefore possible to experimentally establish the relationship that exists: during freezing between the distance from the inner wall of the ice wall to the axis XX of the well and the temperature in the freezing soundings (in particular the temperature of the brine on entry and exit).
During the sinking, at different levels of the well, the possibility of measuring the temperatures in the ground, for example up to 1 meter behind the upper surface of the concrete coating 4, is left.
Once the coating 2-4 is finished, it is necessary to thaw, in 5, (figures 1 to S) the ground around the concrete 4 to a certain radial thickness el (figures 1 to 3) for example of the order of fifty to sixty - fifteen centimeters while taking care to keep around the thawed zone 5 a continuous wall of ice 6.
This wall of ice 6 limited to surfaces 7 and 8 must have a redial thickness e2, sufficient to protect the well and the thawed zone 5 which surrounds it from the mass of groundwater and capable of withstanding at least a reduced height to the pressure of these waters. this thickness e 2 can be, for example, of the order of two meters.
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however, after sinking by freezing, when we stop the supply of cold to the ground and if we also stop all circulation in tube 1, the wall of ice which surrounds the lining of the well and in which the lowest temperatures are located in the vicinity of the cylindrical surface formed by the probes 1 of freezing heats up.
This reheating is done only by the walls ,. on the interior side by supplying calories from the air circulating in the well, on the exterior side by returning the temperature to equilibrium with the mass of the land. So that the wall of ice thins on either side of the cylinder formed by the axes of the soundings, but generally while maintaining its continuity,
According to the invention it is necessary on the one hand to make a supply of heat, inside the well, and on the other hand, a supply of cold in the freezers 1, so as to maintain or better to force the outer surface 7 of the ice wall, the inner surface 8 of this wall being for its part kept at the radial distance e1 from the coating 4.
For this, action is taken on the one hand on the temperature and the quantity of air circulating in the well, and on the other hand on the temperature and the quantity of brine circulating in the freezers 1.
To determine the quantities of frigories and calories to be added, we will base ourselves on the following theoretical considerations: during freezing, the brine has, in the freezer, on return, at a given time and at each level
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a temperature Ts (see graph in figure 4).
From this temperature Ts, moving away horizontally along a radius of the well, from the inside and from the outside of the Y-Y surface of the boreholes, the temperatures rise according to a curve having the shape shown in said FIG. 4.
On the outside, the temperature Ts is the temperature of the mass of the land at the level considered.
On the interior side, etis the temperature at the intersection of the level under consideration and the X-X axis of the well; it can be less than 0.
We will consider the exterior side, The frigories brought on this side by the brine stream flow through the soil, one part is used to lower the temperature at each point of the cooling zone, and to push back the frozen wall 7 and the distance where we find the normal temperature of the ground, another part is lost in the mass of the ground without apparent effect.
Given any state of freezing, the volume of brine in circulation and its inlet temperature are regulated in such a way that the ground keeps at each level in contact with the return of the brine a constant temperature. If this state is achieved, the curve. of the figure
4 representing the ground temperatures and, in particular, the position of the surface 7 of the frozen part 6 does not undergo variations, in other words: the quantity of cold supplied by the brine is entirely conveyed without effect towards the mass of the land. The consistency of the ice wall on the outside is thus achieved.
This cannot be the case on the interior side where the mass of the land is finite and where the final equilibrium would be the establishment of the temperature Ts in the whole mass, at
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less dty establish a current likely to carry away the frigories.
This ri-heating current does not make it possible to stop the freezing effect in an absolutely arbitrary way, because the distribution of the frigories on the two faces towards which they flow from the cylinder of the soundings 1 depends on the relative states of these two. faces.
We will call t the return temperature of the brine at the moment when, in the progression of freezing, the interior surface 8 of the frozen cylindrical crown is located at 0m, 50 behind the upper surface of the coating 4. At this moment, the outer surface of this same frozen crown is 7 (figure 1). At this time, with the well closed, the supply of frigories could be adjusted so that the surface 7 remains stationary. But a part Fi of these frigories would be absorbed by the internal core, and the wall of the wall of ice would progress towards the interior.
If now, the well being ventilated, one wants to stabilize at the same time the two faces of the ice wall in the respective positions 7 and 8, it is necessary that the internal air current absorbs precisely the total quantity of frigories Fi,
Ultimately, it is about achieving; the return of the ice wall equivalent to what it was when the temperature of 0 internally reached the cylindrical surface 8 located at Om, 50 behind the upper surface of the coating, the maintenance of the ice wall in this state by disposing of this in the sounding, the stream of brine and, in the well, a stream of heated air if necessary.
The temperature to be reached in the soundings is known approximately by the measurements made during freezing and sinking.
The situation of the ice wall is followed by the ob-
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servations (which have been prepared), temperatures at the upper surface of the coating.
In practice, the operation is divided into two phases:. During the first phase, the well is isolated; for this, only the brine stream is available. This is a waiting period where you just have to limit the thaw and stop the circulation of brine. It is periodically restarted to ensure that in 48 hours, it is possible to return to the freezing regime such that the temperatures of the soundings are 2 to 3 degrees lower than the temperature corresponding to the wall of ice towards which one we want to return.
During the second phase, the well is in a ventilation circuit; having on the one hand the current of brine, on the other hand the current of air, the equilibrium of the wall of ice is achieved by studding as desired to obtain it for the operation envisaged.
The balance to be achieved can be easily obtained, because the quantity of calories which the air current can provide is much greater than the total quantity of frigoriea that freezing has been able to bring into the well at stage t, and a fortiori to the share - of these frigories ceded on the inside of the ice wall.
This results in effect from the balance sheet; thermal below: a) quantity of calories abandoned in 1 hour by an air current of 100 cubic meters per second and whose temperature stabilizes at 1
EMI10.1
dry air .................. 0.000 pays approximately saturated air ............... 365.000 calories approximately b) quantity of calories absorbed by the cast iron casing to raise its temperature by 1:
1,268,000 calories approximately
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c) quantity of calories absorbed by the concrete coating to raise its temperature by 1:
Approximately 3,224,000 calories d) quantity of calories absorbed to raise the temperature of the ground cylinder enveloping the coating by 1 (thickness 0m, 50) frozen water ........... 3,500,000 calories approximately thawed water * ............ 4,800,000 calories approximately e) quantity of calories necessary to cause the melting of the: ice cream in this same cylinder:
117,000,000 calories
Finally, after a determined time, the ground is thawed in the interval 5 between the coating 4 and the cylindrical surface 8.
It is then continued to be maintained in this state according to the aforementioned considerations and data.
It remains to perform the purging, washing and cementing of interval 5.
The operation is carried out by successive passes of fifteen to twenty five meters in height depending on the terrain, descending and starting from the piezometric level, and the apparatus described below and shown in Figures 5 to 7 is used for example.
According to this example of execution, the threaded orifices 3 formed in the segments 4 of the casing of the height of the pass are provided with tubular elements 9 (FIGS. 6-7) screwed into these orifices 3 in a sealed manner.
9 ment / is provided with a ball valve 10 (Figures 5-6-7) sufficient to pass a drill bit.
On each tube 9 between the valve 10 and the casing 2, a thread, provided with a valve 11 (figure 7) allows
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to place a pressure gauge.
The pipes 9 located at the same level are connected on a tubular ring 12, connected at one end to a vertical pipe 13 and at the other end to a vertical pipe 14.
The pipe 13 has its upper level of 1m, 50 approximately above the upper crown 12, and its lower end exceeds the level of the lower crown by at least two meters. It is open at the upper end. lower can be closed by. a tap 15 (Figure 5). It is provided with a rubber hose element 16 allowing the water which escapes from it to be brought to any point in the section of the well.
The pipe 14 is closed at its lower end by a valve 17, it extends fifty meters or more above the upper crown 12 and it comprises, for example, from ten meters by ten meters tees 18 (FIG. 5) allowing to connect it by a pipe 19 to the bottom of a tank, not shown, suspended in the well at the end of a cable and intended to contain the water or the cement milk.
On each horizontal ring 12 there is provided a valve 20 between each pipe 9. Each of the connections qvec pipes 13 and 14 can be closed by a valve 21 or 22 (Figures 5-6).
Turn a pass, that is to say for a portion such as ab, or bc ... (figure 1) of the well, the operation is as follows: @ through each tap 9 and hole 3, we drill a borehole to part 6, frozen ground.
The corresponding portion of the annular gap 5 is then emptied.
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opens all the taps without however connecting the pipe 14 to the water tank. The water flowing at the lower end of pipe 13 is collected and measured.
We then proceed to washing .To do this we reconnect the pipe 14 with the water tank while keeping the latter full of water at a temperature close to 0. To ensure this temperature, care is taken to leave permanently in the vat of blocks of ice.
One tries on the single lower ring 12 all the combinations of passage of water from hole 3 to hole 3 from behind the casing 2 and the coating 4. The level of the tank under load is varied according to whether the passage is made more. or less easily.
The same operation is then carried out with the penultimate crown 12, from the bottom, then between this one and the last crown treated previously. The same procedure is carried out with the third crown, ascending, then between it and the two which are below and so on up to the upper crown 12, multiplying as much as possible the paths offered to the water.
Care is taken to collect and measure the sand removed. Finally, cementing is carried out. The cement milk is sent through the lower crown 12, causing it to flow back successively through the other crowns, going up to the highest crown. It is left to stand, the upper level of the cement is checked and the same operation is started again from it.
It is left to stand again and the cementation is resumed from the crown which is above the level of the cement which is established, and so on to the upper part.
It should be noted that any communication with the body of water located behind the part con-
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frozen 6 following a leak in this part 6 would be revealed by the manometers placed on the tubes 9 and more simply by the water flow regime.
The washing would be stopped immediately.
Cementing should then stop at a pressure greater than that of the water.
Of course, the various tubes must be able to withstand these pressures.
The execution time of the actual cementation operation is short (a few days for a pass), the necessary material is inexpensive.
On the other hand, it is necessary to have sufficient ventilation. It is necessary to leave the freezing plant in working order, after crossing the aquifers. It is the costs incurred by maintaining freezing that condition the economy of the operation.
But, in fact, more time elapses between the moment when the freezing period favorable to cementing has been passed and the end of sinking in aquifers than between this moment and the opening of the ventilation circuit, there is practically little or no frigory to spend.
0 * is what can happen in most cases.
On the other hand, the possibility of practicing cementation allows, by reinforcing the ground, a reduction in the thickness of the concrete coating, which largely compensates for the price of this cementation and its duration.
The operation does not involve any risk. The implementation of the process (in particular the washing) which depends on the nature of the terrain, is carried out in an area where safety is absolute.
The advantages of the process by: freezing are, moreover, preserved; we save all the cement, which
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in the cementation process, gets lost in the land included in the excavation perimeter; in addition, time is saved over the duration of the sinking.
Of course, the invention is in no way limited to the embodiment shown and described, which was chosen only by way of example.
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