EP0161974A2 - Procédé et dispositif pour la réalisation en place de colonnes de sol stabilisé et compacté - Google Patents

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EP0161974A2
EP0161974A2 EP85400787A EP85400787A EP0161974A2 EP 0161974 A2 EP0161974 A2 EP 0161974A2 EP 85400787 A EP85400787 A EP 85400787A EP 85400787 A EP85400787 A EP 85400787A EP 0161974 A2 EP0161974 A2 EP 0161974A2
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auger
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bore
ground
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Jean-Claude Gessay
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Soletanche Bachy France
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
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    • E02D5/00—Bulkheads, piles, or other structural elements specially adapted to foundation engineering
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    • E02D5/22—Piles
    • E02D5/34—Concrete or concrete-like piles cast in position ; Apparatus for making same
    • E02D5/36—Concrete or concrete-like piles cast in position ; Apparatus for making same making without use of mouldpipes or other moulds

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for producing in situ columns of stabilized and compacted soil.
  • Improving the stability or the bearing capacity of low-quality movable land, for the creation of foundations, embankments, embankments, etc. by building up columns of stabilized soil is a known technique.
  • the columns of stabilized soil are arranged, grouped, combined according to configurations such as walls, spurs, grid, blocks, etc ... according to the desired result, but the basic constituent column is, in general, in the form of '' a soil cylinder in place whose geomechanical characteristics have been improved by the incorporation of an external material.
  • an elementary column is obtained by driving a rotary drilling tool into the ground.
  • This tool breaks up the ground and mixes it with a filler material introduced wet or dry through a hollow drive shaft. Once the desired depth has been reached by the tool, the tool is removed.
  • the filler material mixed with the soil in place is, in general, a binder giving rise to a setting phenomenon leading to the formation of a soil concrete whose resistance depends on the characteristics of the soil, the quantity and the nature of the incorporated binder, the degree of homogeneity and the compactness of the mixture thus produced.
  • the two characteristic elements determining the quality of the result obtained are therefore the homogeneity and the compactness of the mixture.
  • the good distribution of the binder in the mass of the treated soil requires the complete reworking of the latter by the effect of the disaggregating tool so as to destroy as much as possible the existing links between the constituent particles of the soil and thus be able to achieve an intimate mixture between these and the incorporated binder.
  • the structure of the final mixture obtained is generally looser than that of the virgin soil, the destructuring of the latter by the disintegrating tool causing an increase in volume. This reduction in the compactness of the treated soil contributes to lessening the consolidation effect resulting from the incorporation of the binder.
  • the object of the invention is to provide a method and a device which make it possible, while ensuring a better degree of homogeneity of the soil-binder mixture, to carry out the recompaction in place, thus considerably improving the mechanical characteristics of the column of stabilized soil thus formed.
  • the invention relates to a method for producing in place an elementary column of stabilized and compacted soil, which comprises a first phase consisting in driving into the ground a rotary drilling tool disintegrating the ground and mixing it with a material '' input, and a second phase consisting in withdrawing the drilling tool from the ground, characterized in that at least part of the disaggregated ground is given an upward movement through the drilling tool during the first phase and in that that we print on the disaggregated ground, mixed with filler material, a downward movement, tending to compact it, through the drilling tool during the second phase.
  • the invention also relates to a device useful for implementing the method of the invention, which comprises at least two parallel shafts driving in opposite directions two parallel augers of opposite pitch, each auger being provided at its end opposite the shaft for driving a disintegrating drill head and the distance between the axes of the augers being less than the diameter of an auger, the shafts and barrels of the augers having a bore connected to a source of filler material and at least one orifice communicating with said bore being provided on the barrel of each auger to discharge the filler material and allow its mixing with the disaggregated soil.
  • the second compaction phase once the depth fixed for processing has been reached, the direction of rotation of the auger elements is reversed, causing the material to reverse movement as the device of the invention is withdrawn.
  • the continuous recompaction of the terrain-filler material mixture by the device is thus carried out throughout its ascent to the surface.
  • the part of the ground extracted during the drilling phase is reintroduced into the drilled column.
  • the recompaction effect usually requires supplementing the filling of the drilled column with an addition of additional material.
  • the method of the invention can be implemented in both coherent soils (clayey soils, clay, etc.) and non-coherent ones (sand, gravel, etc.).
  • the length of the augers is adapted to the depth of the column to be produced. It is generally between 1/4 and 1/2 of the length of the column but it could in some cases be increased to the same length.
  • augers instead of having a continuous helical profile, could be discontinuous, that is to say be replaced by a plurality of spaced propellers.
  • a number of double bearings 7, depending on the depth of the column to be produced, are distributed over the height of the drive shafts and augers so as to maintain their parallelism.
  • bearings could be replaced over the height of the drive shafts by a hollow continuous beam which could possibly be used to bring the material or filler binder at the top of the augers.
  • Lea two drive shafts 1 are mounted on a gear reversing reduction device 8, itself connected to a motor 9, which drives them as well as the augers, rotating in opposite directions and at the same speed.
  • This motor-reduction unit 8-9 can be carried by a drilling machine (not shown) installed on the surface in line with the column to be produced, either by means of a slide on which it can move longitudinally either freely or by through a translation device. Alternatively, it can be suspended from the boom of a lifting device (crane or other).
  • auger bores constitute independent conduits, it is possible, if desired, to feed one of the bores with a different filler material than that feeding the other bore, in order to react these materials in situ together or with the ground.
  • the invention makes it possible to obtain columns of stabilized and compacted soil whose mechanical properties are very much superior to those of the columns obtained according to the prior art, without recompaction.
  • a particularly interesting application of the method and the device of the invention is the stabilization of the rights of way of railway tracks.

Abstract

L'invention se rapporte aux travaux de génie civil. Elle concerne notamment un dispositif utile pour la réalisation d'une colonne élémentaire de sol stabilisé et compacté, qui comprend au moins deux arbres (1) parallèles entraînant en sens contraire deux tarières (2) parallèles de pas opposés, chaque tarière étant munie à son extrémité opposée à l'arbre d'entraînement d'une tête de forage (3) désagrégatrice et la distance entre les axes des tarières étant inférieure au diamètre d'une tarière, les arbres et les fûts des tarières comportant un alésage relié à une source de matériau d'apport et au moins un orifice (6) communiquant avec ledit alésage étant prévu sur le fût de chaque tarière pour décharger le matériau d'apport et permettre son mélange avec le terrain désagrégé. Application notamment à la consolidation des emprises de voies ferroviaires.

Description

  • L'invention concerne un procédé et un dispositif pour la réalisation en place de colonnes de sol stabilisé et compacté.
  • L'amélioration de la stabilité ou de la portance des terrains meubles de qualité médiocre, pour la réalisation de fondations, remblais, talus, etc... par la constitution en place de colonnes de sol stabilisé est une technique connue.
  • Les colonnes de sol stabilisé sont disposées, groupées, combinées suivant des configurations telles que des murs, éperons, quadrillage, blocs, etc... selon le résultat recherché, mais la colonne constitutive de base se présente, en général, sous la forme d'un cylindre de sol en place dont les caractéristiques géomécaniques ont été améliorées par l'incorporation d'un matériau extérieur.
  • Brièvement, la réalisation d'une colonne élémentaire est obtenue par l'enfoncement dans le terrain d'un outil de forage rotatif. Cet outil désagrège le terrain et le mélange avec un matériau d'apport introduit par voie humide ou par voie sèche par l'intermédiaire d'un arbre creux d'entrainement. Une fois la profondeur désirée atteinte par l'outil, on retire ce dernier.
  • Le matériau d'apport mélangé au terrain en place est, en général, un liant donnant lieu à un phénomène de prise conduisant à la formation d'un béton de sol dont la résistance est fonction des caractéristiques du sol, de la quantité et de la nature du liant incorporé, du degré d'homogénéité et de la compacité du mélange ainsi réalisé.
  • Pour un liant et un sol donné, les deux éléments caractéristiques déterminants de la qualité du résultat obtenu sont donc l'homogénéité et la compacité du mélange.
  • Les différents procédés et dispositifs de la technique antérieure, s'ils permettent d'obtenir plus ou moins le degré d'homogénéité recherché, ne résolvent nullement le problème de la recompaction du mélange réalisé en place.
  • La bonne répartition du liant dans la masse du sol traité exige le remaniement complet de ce dernier par l'effet de l'outil désagrégateur de façon à détruire au maximum les liaisons existantes entre les particules constitutives du terrain et pouvoir ainsi réaliser un mélange intime entre ces dernières et le liant incorporé. La structure du mélange final obtenu est en général plus lâche que celle du terrain vierge, la déstructuration de ce dernier par l'outil désagrégateur entrainant une augmentation de volume. Cette diminution de la compacité du terrain traité contribue à amoindrir l'effet de consolidation résultant de l'incorporation du liant.
  • L'invention a pour objet de fournir un procédé et un dispositif qui permettent, tout en assurant un meilleur degré d'homogénéité du mélange sol-liant, d'an réaliser la recompaction en place, améliorant ainsi considérablement les caractéristiques mécaniques de la colonne de sol stabilisé ainsi constituée.
  • Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de réalisation en place d'une colonne élémentaire de sol stabilisé et compacte, qui comporte une première phase consistant à enfoncer dans le terrain un outil de forage rotatif désagrégeant le terrain et le mélangeant avec un matériau d'apport, et une deuxième phase consistant à retirer l'outil de forage du terrain, caractérisé en ce qu'on imprime à au moins une partie du terrain désagrégé un mouvement ascendant à travers l'outil de forage pendant la première phase et en ce qu'on imprime au terrain désagrégé, mélangé à du matériau d'apport, un mouvement descendant, tendant à le compacter, à travers l'outil de forage pendant la deuxième phase.
  • L'invention concerne également un dispositif utile pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, qui comprend au moins deux arbres parallèles entrainant en sens contraire deux tarières parallèles de pas opposés, chaque tarière étant munie à son extrémité opposée à l'arbre d'entratnement d'une tête de forage désagrégatrice et la distance entre les axes des tarières étant inférieure au diamètre d'une tarière, les arbres et les fûts des tarières comportant un alésage relié à une source de matériau d'apport et au moins un orifice communiquant avec ledit alésage étant prévu sur le fût de chaque tarière pour décharger le matériau d'apport et permettre son mélange avec le terrain désagrégé.
  • Lorsqu'on met en oeuvre le procédé de l'invention avec le dispositif particulier sus-défini, on produit les effets suivants :
    • - Dans la première phase de forage et de mélange, le sol en place désagrégé par la tête de forage, est entraîné dans un mouvement ascendant à travers le dispositif de l'invention complétant ainsi l'effet de désagrégation dû à la tête elle-même et assurant par suite une meilleure dispersion dans la masse du terrain du matériau ou liant d'apport introduit par voie sèche ou humide. Le sol désagrégé traverse l'ensemble du dispositif de l'invention au fur et à mesure de la pénétration de ce dernier dans le terrain. Compte tenu de l'augmentation de volume provoquée par la désagrégation, il se produit un phénomène de foisonnement accentué par l'ajout du matériau d'apport, une partie plus ou moins importante du sol ainsi homogénéisé et mélangé au matériau d'apport pouvant sortir en surface en tête de la colonne. Si désiré, cette première phase peut être répétée une ou plusieurs fois.
  • Dans la deuxième phase de compactage, une fois atteinte la profondeur fixée pour le traitement, le sens de rotation des éléments de tarière est inversé provoquant un mouvement inverse du matériau au fur et à mesure du retrait du dispositif de l'invention. On réalise ainsi, outre une homogénéisation complémentaire, la recompaction continue du mélange terrain-matériau d'apport par le dispositif tout au long de sa remontée vers la surface. Pendant cette phase de compactage, la partie du terrain extraite pendant la phase de forage est réintroduite dans la colonne forée. L'effet de recompaction nécessite habituellement de compléter le remplissage de la colonne forée par un apport de matériau supplémentaire.
  • Le procédé de l'invention peut être mis en oeuvre dans des terrains tant cohérents (terrains argileux, argile, etc..) que non cohérents (sable, graviers, etc..).
  • La description qui va suivre en regard des dessins annexés fera bien comprendre l'invention :
    • - la figure 1 est une vue schématique en élévation avec coupe du terrain illustrant un dispositif seloi l'invention et sa mise en oeuvre pendant la premièrl phase du procédé de l'invention;
    • - la figure 2 est une vue similaire à celle de la figure 1 mais pendant la deuxième phase de l'invention;
    • - les figures 3 et 4 sont des vues schématiques montrant les sens de rotation des éléments de tarière du dispositif de l'invention pendant la première et la seconde phases, respectivement du procédé de l'invention.
  • Le dispositif représenté sur les figures 1 et 2 et utilisé pour réaliser des colonnes de sol stabilité et compacté selon le procédé décrit ci-dessus comporte les éléments suivants :
    • Deux arbres parallèles 1,.pourvus chacun d'un alésage la, entraînent deux tarières hélicoïdales 2 de pas opposés tournant en sens contraire. Chaque tarière est munie à son extrémité libre d'une tête de forage désagrégatrice 3 adaptée à la nature du terrain. Ce peut être, par exemple, comme illustré, une tête en forme d'hélice, ou bien un couteau. La distance X entre les axes des tarières est inférieure à leur diamètre de façon que les spires des deux tarières soient effectivement engagées l'une dans l'autre de manière à assurer un mouvement ou écoulement forcé du terrain désagrégé 4 par les deux tarières. Le fût 5 de chaque tarière comporte aussi un alésage 5a qui communique avec l'alésage de l'arbre d'entraînement correspondant, permettant ainsi d'amener le matériau ou liant d'apport par voie sèche ou par-voie humide jusqu'à des orifices 6 ménagés sur la hauteur du fût de chaque tarière de façon à en assurer le mélange intime avec le terrain désagrégé.
  • La longueur des tarières est adaptée à la profondeur de la colonne à réaliser. Elle est en général comprise entre 1/4 et 1/2 de la longueur de la colonne mais elle pourrait, dans certains cas, être accrue jusqu'à at- teindre la même longueur.
  • Il est à noter que les tarières, au lieu de présenter un profil hélicoïdal continu, pourraient être discontinues, c'est-à-dire être remplacées par une pluralité d'hélices espacées.
  • Un certain nombre de doubles-paliers 7, fonction de la profondeur de la colonne à réaliser, sont répartis sur la hauteur des arbres d'entraînement et des tarières de façon à maintenir leur parallélisme.
  • Ces paliers pourraient être remplacés sur la hauteur des arbres d'entratnement par une poutre continue creuse qui pourrait éventuellement être utilisée pour amener le matériau ou liant d'apport en tête des tarières.
  • Lea deux arbres d'entrafnement 1 sont montés sur un dispositif réducteur inverseur à engrenages 8, lui-même relié à un moteur 9, qui les entraine ainsi que les tarières, en rotation dans des sens opposés et à même vitesse. Cet ensemble moto-réducteur 8-9 peut être porté par une machine de forage (non représentée) installée en surface au droit de la colonne à réaliser soit par l'intermédiaire d'une glissière sur laquelle il peut se déplacer longitudinalement soit librement soit par l'intermédiaire d'un dispositif de translation. En variante, il peut être suspendu à la flèche d'un engin de levage (grue ou autre).
  • Le déroulement d'une opération de réalisation d'une colonne de sol stabilisé compactée peut être décrit de la façon suivante :
    • L'engin porteur étant installé au droit de l'emplacement choisi, les arbres et tarières sont mis en rotation dans le sens correspondant au vissage des tarières dans le terrain (figures 1 et 3). La vitesse de pénétration est contrôlée de façon à optimiser l'effet de désagrégation du sol. Le matériau ou liant d'apport peut être introduit à tout moment pendant l'opération de forage. Dans le cas de la voie humide il est pompé par une pompe située en surface à travers les tétes tournantes 10 montées à l'extrémité des arbres d'entraînement. Dans le cas de la voie sèche il est forcé à l'aide d'air comprimé à travers les mêmes têtes.
  • Une fois la profondeur voulue atteinte le sens de rotation des arbres et tarières est inversé et le dispositif de l'invention est remonté en continu (figures 2 et 4). L'effet mécanique direct des tarières tend à faire remonter de lui-même le dispositif. Le contrôle de cette remontée en exerçant un appui réglé sur le dispositif permet d'obtenir la recompaction du mélange sol-matériau d'apport. L'injection du matériau d'apport peut être poursuivie, si désiré, pendant tout ou partie de cette phase de recompaction. Le sol remonté jusqu'en surface pendant la phase de forage est réentrainé dans la colonne. Un apport supplémentaire de matériaux est même le plus souvent nécessaire pour combler le forage.
  • Il est à noter que, étant donné que les alésages des tarières constituent des conduits indépendants, il est possible, si désiré, d'alimenter l'un des alésages avec un matériau d'apport différent de celui alimentant l'autre alésage, afin de faire réagir in situ ces matériaux ensemble ou avec le terrain.
  • L'invention permet d'obtenir des colonnes de sol stabilisé et compacté dont les propriétés mécaniques sont très largement supérieures à celles des colonnes obtenues selon la technique antérieure, sans recompaction.
  • Une application particulièrement intéressante du procédé et du dispositif de l'invention est la stabilisation des emprises de voies ferroviaires.
  • Il va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et qu'on pourrait le modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention.

Claims (6)

1. Un procédé de réalisation en place d'une colonne élémentaire de sol stabilisé et compacté, qui comporte une première phase consistant à enfoncer dans le terrain un outil de forage rotatif désagrégeant le terrain et le mélangeant avec un matériau d'apport, et au cours de laquelle on imprime à au moins une partie du terrain désagrégé un mouvement ascendant à travers l'outil de forage, et une deuxième phase consistant à retirer l'outil de forage du terrain,
caractérisé en ce qu'on imprime au terrain désagrégé, mélangé à du matériau d'apport, un mouvement descendant, tendant à le compacter, à travers l'outil de forage, en exerçant un appui réglé sur l'outil de forage pendant ladite deuxième phase.
2. Un procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les opérations d'enfoncement et de mélange de la première phase sont répétées au moins une fois.
3. Un dispositif utile pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, qui comprend au moins deux arbres (1) parallèles entraînant en rotation deux tarières (2) parallèles, chaque tarière étant munie à son extrémité opposée à l'arbre d'entraînement d'une tête de forage (3) désagrégatrice et la distance entre les axes des tarières étant inférieure au diamètre d'une tarière, les arbres et les fûts des tarières comportant un alésage relié à une source de matériau d'apport et au moins un orifice (6) communiquant avec ledit alésage étant prévu sur le îût de chaque tarière pour décharger le matériau d'apport et permettre son mélange avec le terrain désagrégé, caractérisé en ce que les tarières sont de pas opposés et sont entrainées en rotation en sens contraire et en ce qu'il comprend,en outre, des moyens d'inversion du sens de rotation des tarières.
4. Un dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la tête de forage est en forme d'hélice.
5. Un dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les arbres et tarières sont maintenus parallèles à l'aide de doubles-paliers (7).
6. Un dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'alésage de l'une des tarières est relié à une source de matériau d'apport qui diffère du matériau d'apport de la source reliée à l'alésage de l'autre tarière.
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