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L. S. WERTZ, résidant à SHAKER HEIGHTS, Ohio (E.U. A.) .
PROCEDE D'INJECTION DE FORMATIONS POREUSES.
Cette invention est relative à la solidification, la densifica- tion et le renforcement de formations terreuses et sablonneuses tendres, poreuses et meubles de manière à les rendre susceptibles de résister à des pressions verticales et latérales plus fortes, de résister à l'érosion par l'eau en surface et souterraine,de former des barrages à l'eau en-dessous de la surface, etc.
On a employé jusqu'à présent de nombreux procédés et divers ty- pes d'appareils pour stabiliser les formations terreuses et sablonneuses aux poins de vue précités afin d'améliorer les fondations de bâtiments,rou- tes, etc. sur le sol et pour protéger et/ou supporter des opérations ou structures en-dessous de la surface. Les procédés et appareils utilisés dans ce but varient grandement d'après les conditions particulières dans lesquel- les le travail doit être effectué, les caractéristiques des formations ter- reuses à travailler et le type et la grandeur des charges à supporter ou des forces à contrecarrer. Cependant, tous ces procédés sont sujets à des degrés variables à des limitations restreignant leur usage à certains types de conditions de travail, de formations terreuses et de nécessités de résistan- ce à la charge.
Plusieurs des procédés employés jusqu'à présent exigent l'usage d'un matériel coûteux et massif. La plupart d'entre eux exigent un espace considérable au-dessus de la surface du sol pour effectuer le travail et exigent, dans de nombreux cas, le fastidieux battage d'un type ou l'autre de caisson ou de batardeau permanent ou temporaire préfabriqué, habituel- lement accompagné de l'enlèvement de plus ou moins de terre de la région qui doit être travaillée.
En général, les anciens procédés sont lents à mettre à exécu- tion.
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coûteux à employer et inefficaces à un ou plusieurs points de vue , suivant les conditions de travail particulières rencontrées.
Le but général de la présente invention est de fournir des pro- cédés et des appareils perfectionnés et simplifiés pour solidifier, rendre compactes et renforcer des formations terreuses et sablonneuses tendres, poreuse et meubles jusqu'à des profondeurs substantielles.
Un autre but de l'invention est de fournir des procédés et des appareils dans le but précité dont le fonctionnement soit plus rapide et qui soient plus facilement adaptés à rencontrer les exigences spécifiques de différents travaux.
Un autre but encore de l'invention est de fournir des procédés et des appareils dans le but précité qui n'exigent pas T'enlèvement de terre ou l'abandon d'un matériel coûteux dans les formations sur lesquelles le travail est effectué.
Une caractériqtique spécifique de l'invention. grâce à laquelle les buts précités sont atteints, réside dans l'usage d'une foreuse tournan- te destinée à être vissée dans la terre et le sable meubles avec une ac- tion semblable à celle d'une foreuse du type à tarière ou à hélice, le forêt ayant une tige creuse avec des ouvertures près de son extrémité in- férieure par lesquelles on peut pomper de l'eau et la matière à injecter et le forêt étant constitué par plusieurs sections qui peuvent être accou- plées et découplées, l'une après l'autre, lorsqu'on enfonce ou qu'on retire le forêt.
L'extrémité inférieure du forêt porte des lames appropriées pour couper ou mélanger et les ouvertures adjacentes à l'extrémité inférieure de la tige sont placées de manière à décharger l'eau ou la matière à injec- ter dans la terre ou le sable très près des lames en rotation.
Le forêt est mis en rotation pour s'enfoncer dans le terre ou le sable jusqu'à la profondeur de la région à travailler et tout en conti- nuant à tourner, on l'y maintient un certain temps puis on le retire. Une injection de ciment hydraulique destiné à solidifier le terrain est de pré- férence pompée dans la tige de la foreuse lorsqu'elle s'enfonce et elle est injectée dans la terre au voisinage de l'extrémité inférieure du forêt où elle est complètement mélangée au sol lorsque les lames du forêt conti- nuent à descendre.
Lorsque le forêt a été enfoncé à la profondeur voulue, on peut arrêter le pompage de la matière à injecter ou bien on peut con- tinuer à pomper même lorsqu'on retire le forêt, suivant la nature du sol à travailler, le but étant de s'assurer que les vides et interstices dans le sol soient remplis aussi complètement et aussi uniformément que possi- ble du fond de la région jusqu'à la surface ou jusqu'à tout niveau inter- médiaire désiré, sans enlever aucune particule du sol original.
On obtient ainsi, lorsque le coulis a fait prise, une masse comme une colonne cylindrique dans l'ensemble, solidifiée, rendue compac- te et renforcée dont le diamètre est légèrement supérieur à celui des lames coupantes et malaxeuses du forêt. La région entourant cette masse ayant la forme d'une colonne est aussi affectée de la même manière à un degré allant en diminuant avec la distance depuis le corps principal et qui varie avec la porosité de la région et la pression d'injection. En ré- pétant l'opération précédente à des endroits appropriés espacés horizontale- ment,on peut former rapidement et efficacement une région solidifiée con- tinue s'étendant longitudinalement comme un mur ou latéralement dans tou- tes les directions sur toute étendue désirée.
Si on ne pompe pas dans la tige du forêt la matière à injecter avant que les lames malaxeuses à l'extrémité inférieure de la tige n'aient atteint le niveau désiré sous la surface et qu'ensuite on pompe la matière à injecter pendant l'enfoncement ultérieur des lames malaxeuses jusqu'à un. niveau inférieur, on forme un pieu souterrain qui s'étend uniquement en- tre les deux niveaux souterrains. En répétant cette opération en des points rapprochés horizontalement sur une zone choisie, on peut former sous la sur-
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face un radier de béton formant barrière à une remontée d'eau, de sable, de vase, etc. au cours des excavations ultérieures du sol au-dessus du radier.
On peut aussi appliquer l'invention pour former un mur continu entourant un tel radier souterrain et remontant jusqu'à la surface ou près de celle- ci, formant ainsi les côtés et le fond d'une cuvette de béton qui peut ensuite être vidée de sa terre par excavation en toute sécurité.
L'invention peut aussi être utilisée pour former des pieux individuels en place dans le sol à des endroits convenablement espacés.En terrains appropriés, on peut former de ces pieux atteignant jusqu'à'deux ou trois pieds (60 à-90 cm) de diamètre ou plus en utilisant des têtes ma- laxeuses de grands diamètres correspondants.
L'invention est en outre caractérisé? par l'usage d'une tige de foreuse constituée par un certain nombre de sections relativement cour- tes et par l'addition d'une section après l'autre à l'extrémité supérieu- re lorsque le forêt descend, après quoi les sections supérieures sont re- tirées l'une après l'autre lorsqu'elles sortent de terre au cours de la remontée du forêt. Il est ainsi possible de travailler sous des construc- tions ou dans des endroits restreints analogues la laissant peu de place au-dessus et d'effectuer et de contrôler l'opération entière d'un point pratiquement au niveau du sol sans devoir ériger des tours ou des plate- formes surélevées, même si on enfonce une tige à grande profondeur.
L'invention est caractérisée en outre par un appareil nouveau propre à être attaché et détaché rapidement de l'extrémité supérieure de chaque section de forêt en succession pour faire tourner le forêt et y pomr- per simultanément un fluide, grâce à quoi les sections successives du fo- rêt peuvent être rapidement ajoutées lorsque le forêt s'enfonce et retirées lorsqu'on remonte le forêt.
Les buts, caractéristiques et avantages précités de l'invention et d'autres encore-ressortiront clairement de la description détaillée des procédés et appareils conformes à l'invention, donnée ci-après avec référen- ce au dessin annexé dans lequel la figure 1 est une élévation de côté, partiellement en coupe, d'une forme préférée d'appareil utilisé pour mettre la présente invention à exécution, la vue montrant l'appareil travaillant dans la terre ; la figure 2 est une élévation partielle de l'appareil repré- senté sur là figure 1, la vue étant prise suivant la ligne 2-2 de la figu- re 1 ; la figure 3 est une élévation de la section ou élément inférieur du forêt représenté sur la figure 1 ; la figure 4 est une vue en plan de l'appareil représenté sur la figure 3 ;
la figure 5 est une élévation partielle de l'appareil représentée sur la figure 3 et la figure 6 est une coupe horizontale de l'appareil représenté sur la figure 3, le plan de la coupe étant indiqué par la ligne 6-6 sur la figure 3.
Les figures 1 et 2 représentent un type préféré d'appareil com- portant un mécanisme moteur 10 monté à l'extrémité postérieure d'un chariot 11 ou autre plateforme appropriée. Le mécanisme moteur 10 comprend un moteur approprié 12 et un mécanisme de transmission 13 destiné à supporter et à faire tourner un arbre vertical 14 de manière qu'il puisse se déplacer axia- lement pendant qu'il tourne. L'extrémité inférieure de l'arbre est pourvue d'une forme appropriéer de mandrin 16 pour saisir un élément du tuyau tra- versant l'arbre creux 14 et le faire tourner et le déplacer axialement avec l'arbre 14.
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Le mécanisme moteur 13 destiné à entraîner l'arbre creux 14 peut comporter un train d'engrenages approprié pour faire tourner un pignon entraîné monté sur l'arbre 14 et relié à celui-ci au moyen d'une clavette ou d'une nervure dans le pignon et une rainure longitudinale 15 dans l'ar- bre, ce qui permet au pignon entraîné de faire tourner l'arbre 14 alors que celui-ci reste libre de se déplacer verticalement par' rapport au pignon en- traîné et au mécanisme moteur. Comme les détails de ce mécanisme moteur ne font pas partie de l'invention et que ce mécanisme existe dans le com- merce, on en a omis les détails sur le dessin et il n'en sera question que brièvement, pour plus de simplicité.
Le déplacement vertical de l'arbre creux 14 est obtenu de pré- férence au moyen d'un vérin hydraulique ou l'équivalent, qui peut comporter une paire de cylindres 18 montés de part et d'autre de l'arbre creux 14 et portés par le mécanisme moteur. Une paire de pistons (non représentés) peuvent être placés dans les cylindres 18 et être reliés par des bielles de liaison 19 à une crosse 21 solidaire de l'arbre creux 14 près de l'extrémité supérieure de manière à permettre à l'arbre de tourner sur son axe tout en l'obligeant à se déplacer verticalement avec la crosse 21. Cette liaison peut avoir toute forme appropriée, par exemple un montage de colliers 22 sur l'arbre 14 placés de part et d'autre de la crosse 21.
Comme le montrent les figures et comme cela ressort de ce qui précède, le mécanisme moteur est destiné à faire tourner l'arbre creux 14, sur son axe et le mécanisme hydraulique associé est destiné à déplacer 1' arbre creux 14 vers le haut et vers le bas sur une course déterminée par le mouvement permis des pistons dans les cylindres 18.
Une chaîne de forage formée par plusieurs éléments séparés d' arbre creux accouplés ensembles pour former un conduit continu, est mise en rotation et forcée vers le bas dans la terre par l'appareil qui vient d'être décrit pendant qu'on pompe un lait de ciment hydraulique dans les éléments creux de la chaîne de forage. Une chaîne de forage appropriée à cet effet peut comprendre un certain nombre d'éléments 23 de tube ordi- naire, vissés à chaque extrémité et reliés ensemble par plusieurs manchons filetés intérieurement 24, les éléments successifs étant ajoutés à la chaîne de forage de la manière décrite ci-après au fur et à mesure de 1' enfoncement de la chaîne de forage dans la terre.
L'extrémité inférieure de la chaîne de forage comprend de pré- férence un élément analogue, quoique plus court, de tuyau 26 fileté extéri- eurement à l'extrémité supérieure et dont l'extrémité inférieure est fermée par un bouchon pointu 27 pourvu d'une gorge en spirale ou filet taillé de manière à permettre à cet élément de servir de vis d'avance et faciliter la pénétration dans la terre lorsque la chaîne de forage s'enfonce.Le bou- chon peut être fixé de manière rigide à l'extrémité inférieure de l'élément de forêt 26 de toute manière désirée, par exemple par soudure.
Plusieurs paires de lames coupantes et malaxeuses sont fixées à l'élément inférieur du forêt 26, espacées sur sa longueur, pour facili- ter la pénétration de la chaîne ,-de forage dans la terre et pour malaxer la terre lorsque l'extrémité inférieure de la chaîne de forage la traverse.
Ces lames sont de préférence montées par paires en saillie dans des direc- tions radiales diamétralement opposées sur l'élément de forêt 26, chaque pai- re successive de lames faisant saillie sous un angle différent mesuré autour de l'axe de la chaîne de forage, comme les figures 3 et 4 le montrent le mieux. Les paires individuelles de lames malaxeuses sont respectivement dé- signées par les références 28a,28b,28c. 28d, 28e, 28f et 28g.
Entre les deux paires de lames 28a et 28b, une paire d'ouvertures allongées 29 sont prévues dans les côtés opposés de la paroi de l'élément de forêt 26 et une paire de conduits 31 sont respectivement fixés à l'élément de forêt 26 en communication avec les ouvertures 29 pour recevoir la matière
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injectée par ces ouvertues de la tige creuse de la foreuse. Les conduits 29 s'étendent le bas et ensuite vers l'extérieur le long des côtés des lames inférieures 28a respectivement et aboutissent aux extrémités ouvertes 32 à peu près au milieu de la longueur de ces lames.
Comme le montre la figure 3, chaque lame est constituée par une barre métallique rigide de largeur sensiblement plus grande que l'épaisseur et inclinée sous un angle tel que les arêtes inférieures des lames tendent à tailler la terre lorsque la chaîne de forage est mise en rotation dans le sens dextrogyre, du dessus. Pour augmenter l'action coupante des lames, leurs arêtes inférieures 33 peuvent être aiguisées et les lames sont de préférence en acier dur résistant à l'abrasion grâce à leur inclinaison, les lames 28a- g, réalisent une importante action de malaxage lorsqu'elles tournent dans la terre comme il a été décrit ci-dessus.
Les extrémités inférieures ouvertes 32 des conduits 31 sont situ- ées en substance contre les surfaces inférieures des lames inclinées 28a de sorte que la matière éjectée par les conduits 31 lorsque la chaîne de fora- ge tourne dans le sens dextrogyre (vu du dessus) est déposée immédiatement derrière les lames traversant la terre. Le déplacement des lames dans la terre tend à créer des vides derrière les lames et la matière éjectée des conduits 31 tend par conséquent à remplir ces vides aussitôt qu'ils sont formés.
Comme le montrent les figures 1 et 2, l'extrémité supérieure de la chaîne de forage est maintenue par le mandrin 16 et elle dépasse vers le haut le mandrin et traverse l'arbre creux 14 jusqu'en un point itué au- dessus de l'arbre 14 où elle est reliée par une tête pivotante convention- nelle 36 à un conduit flexible d'injection 37 alimenté sous pression par une source appropriée. De cette manière, la matière à injecter peut être refoulée vers le bas dans la chaîne de forage depuis le conduit 37 pendant que la chai- ne de forage tourne et s'enfonce dans la terre grâce au mécanisme d'entraî- nement décrit ci-dessus.
Lorsqu'on utilise l'appareil précédent pour solidifier une masse sous la surface d'un sol meuble conformément à la présente invention, l'élé- ment de forêt inférieur 26 portant les lames de coupe et de malaxage 28a-g est d'abord attaché à l'élément immédiatement supérieur de forêt 23 pendant que ce dernier est maintenu dans le mandrin 16 et il remonte dans l'arbre creux 14 avec la tête pivotante 36 et la conduite de matière à injecter 37 atta- chées à son extrémité supérieure. Au commencement de cette opération, les pistons sont à l'extrémité supérieure de leurs courses dans les cylindres 18 et le mandrin est serré sur l'élément de forêt 23 qui le traverse.
En fai- sant tourner cette partie de la chaîne de forage et en lui appliquant simul- tanément une force dirigée vers le bas au moyen du moteur et du vérin hydrau- lique, la chaîne de forage est poussée vers le bas dans le sol meuble. En mê- me temps, on pompe la matière à injecter sous une pression appropriée dans le conduit d'injection 37 et dans la chaîne de forage et elle est injectée dans le sol par les extrémités ouvertes 32 des conduits 31 immédiatement derrière les lames inférieures 28a pendant qu'elles tournent. Chacune des lames sui- vantes 28b-28g, pénétrant après les lames inférieures 28a dans le sol, mélan- ge intimement la matière injectée avec la terre et produit un mélange en sub- stance homogène de lait de ciment et de particules de terre.
Lorsque la chaîne de forage a été enfoncée aussi loin que le per- mettent les courses des pistons dans les cylindres 18, on peut desserrer le mandrin 16, relever le vérin et resserrer le mandrin sur la chaîne de forage pour continuer à la faire tourner et à l'enfoncer. Lorsque l'extrémité supé- rieure de l'élément supérieur de forêt 23 a été enfoncée de cette manière aussi loin que le permet la rotule 36 à son extrémité supérieure, on desser- re le mandrin 16 et on dévisse l'élément supérieur de forêt du manchon 24 qui le raccorde à l'élément inférieur de forêt 26. On relève alors le vérin et on introduit un nouvel élément de forêt 23 avec un manchon 24 entre l'élé-
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ment de forêt inférieur 26 et l'élément de forêt 23 auxquels on le fixe.
On resserre le mandrin sur l'élément supérieur de forêt 23 et on continue l'opération en faisant tourner la chaîne de forage et en l'enfonçant dans la terre. Des éléments de forêt 23 et des marchons supplémentaires sont insérés de temps en temps de la même manière au fur et à mesure de l'en- foncement de la foreuse et on pompe de préférence la matière à injecter dans l'arbre de la foreuse et dans le sol d'une manière continue pendant la descente de la chaîne de forage.
Lorsque la matière a été injectée dans le sol et mélangée avec lui de la manière décrite ci-dessus jusqu'à la profondeur désirée, on peut arrêter l'injection de la chaîne de forage peut être relevée par le vérin hydraulique, de préférence en continuant à la faire tourner dans le même sens ce qui permet aux lames de malaxage' de faire un second malaxage au cours de leur remonte. De cette manière, on obtient le maximum d'homogénéité du mélange de la matière injectée avec le sol et on produit une colonne 38 de sol mélangé à la matière injectée qui se solidifie en une colonne de béton durci lorsque le ciment fait prise.
Lorsqu'on a entièrement retiré la chaîne de forage, on peut répéter la même opération aussi près de l'endroit de forage précédent qu'on le désire. On peut former autant de ces colonnes qu'on le désire, espacées sur une zone donnée ou en ligne pour solidifier une région entière ou pour former sous la surface un mur solidifié. Le diamètre de chaque colonne so- lidifiée de cette manière est normalement légèrement supérieur à la lon- gueur combinée de chaque paire de lamés 28a-g suivant¯la perméabilité du sol à la matière injectée et suivant d'autres facteurs évidents. Dans la plupart des cas, il est désirable de placer les colonnes solidifiées suffi- samment près l'une de l'autre pour qu'elles soient tangentes l'une à l'autre ou même se chevauchent, particulièrement si la masse solidifiée est destinée à servir de barrage pour l'eau.
Cependant, l'écartement des colonnes solidi- fiées peut varier suivant les besoins du projet particulier.
Dans certains cas, suivant la nature du sol à travailler, il peut être désirable de pomper la matière à injecter dans la chaîne de forage pen- dant son enfoncement dans la terre et aussi pendant sa remonte pour assurer un remplissage complet de tous les vides dpns le sol. Ceci est rarement né- cessaire cependant, car le remplissage en substance complet des vides est gé- néralement obtenu pendant qu'on enfonce la chaîne de forage dans la terre.
De la description précédente de l'invention et de l'appareil ain- si que du mode opératoire préférés pour la mettre à exécution, il ressort clairement qu'on a créé un procédé et un appareil nouveaux et simples pour solidifier, rendre compactes et renforcer des formations terreuses et sa- blonneuses tendres, poreuses et meubles jusqu'à des profondeurs substantiel- les et que le procédé peut être mis à exécution aisément et efficacement sans employer de matériel coûteux ou encombrant et sans devoir abandonner du maté- riel dans la terre après avoir achevé le travail. Il est clair aussi que les différentes façons de mettre l'invention à exécution pour solidifier sous la surface des sols meubles lui permettent de satisfaire une grande variété de conditions.
Bien qu' on ait décrit l'invention avec référence à des formes préférées d'appareil et de modes opératoires, il est bien entendu que l'in- vention n'est pas ainsi limitée et qu'on ne sortirait pas de son cadre en y apportant des modifications.
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