WO2016139523A1 - Marteau pneumatique et hydraulique perfectionné pour la pose rapide et économique de pieux en béton armé - Google Patents

Marteau pneumatique et hydraulique perfectionné pour la pose rapide et économique de pieux en béton armé Download PDF

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WO2016139523A1
WO2016139523A1 PCT/IB2016/000207 IB2016000207W WO2016139523A1 WO 2016139523 A1 WO2016139523 A1 WO 2016139523A1 IB 2016000207 W IB2016000207 W IB 2016000207W WO 2016139523 A1 WO2016139523 A1 WO 2016139523A1
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hammer
sheep
cylinder
pile
hydraulic
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PCT/IB2016/000207
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Albert Rombaldi
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Albert Rombaldi
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    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D7/00—Methods or apparatus for placing sheet pile bulkheads, piles, mouldpipes, or other moulds
    • E02D7/02—Placing by driving
    • E02D7/06—Power-driven drivers
    • E02D7/10—Power-driven drivers with pressure-actuated hammer, i.e. the pressure fluid acting directly on the hammer structure
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D7/00—Methods or apparatus for placing sheet pile bulkheads, piles, mouldpipes, or other moulds
    • E02D7/02—Placing by driving
    • E02D7/06—Power-driven drivers
    • E02D7/08—Drop drivers with free-falling hammer
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D5/00—Bulkheads, piles, or other structural elements specially adapted to foundation engineering
    • E02D5/22—Piles
    • E02D5/24—Prefabricated piles
    • E02D5/30—Prefabricated piles made of concrete or reinforced concrete or made of steel and concrete

Definitions

  • the invention relates to a device, henceforth called a "hammer”, which can be adapted to a hydraulic excavator or backhoe excavator type machine, on tires or caterpillar, commonly used on construction sites, for driving into the ground quickly and economically reinforced concrete piles, replacing the traditional hammer-crane to drive piles into the ground.
  • a hammer which can be adapted to a hydraulic excavator or backhoe excavator type machine, on tires or caterpillar, commonly used on construction sites, for driving into the ground quickly and economically reinforced concrete piles, replacing the traditional hammer-crane to drive piles into the ground.
  • the invention also allows the penetration of a type of pile studied to cooperate with the cited device, pile already claimed with different characteristics in the applicant's earlier patent application published under the number CH707119A2.
  • a hammer crane Whenever it is necessary to drive reinforced concrete piles into the ground on a civil construction site, a hammer crane must be brought in and used as a heavy, expensive machine to rent, transport and operate. , and slow to move if one must exceed the radius of action of the crane.
  • the invention makes it possible, by the proposed device, to extend significantly the range of applications of the technique of piles to all kinds of constructions which previously had to be satisfied with the traditional foundations, soles and columns of reinforced concrete coffered on the spot .
  • the hammer mounted on existing machines, which are recognized of a foolproof quality and which are found in large numbers in all countries, allows to pose specially designed piles forming a particularly happy combination with the hammer, by a technique new, fast and rational.
  • the invention thus makes it possible to offer to an extended range of small and medium-sized constructions an advantageous option compared to the conventional system of foundations and soles of reinforced concrete. For example, constructions on the seashore, in areas regularly flooded by a rise in water at certain times of the year, dwellings on steep ground where heavy rain infiltrates and causes landslides, will benefit remarkably the pile laying system by the hammer object of the invention.
  • the object of the present invention is to propose a pneumatic and hydraulic hammer may, among other applications, be adapted to a shovel-type machine
  • Another object of the present invention is to provide a slideway to hold the hammer in position.
  • An additional object of the invention is to propose a pile particularly well adapted to its insertion by the proposed hammer.
  • the invention proposes a hammer of novel design, constituting a technical improvement of the hammer claimed in the applicant's earlier patent application, published under the number CH707119A2 referred to herein as a reference.
  • the application CH707119A2 claims an adapter device for the laying of reinforced concrete piles, which can be easily adapted to a construction machine of the excavator-backhoe type, comprising an arm constituting a small crane for suspending a hammer by a cable, the hammer that can be positioned and engaged on the upper part of a pile to be driven into the ground.
  • the application 707119 claims as control element of the lifting and then the release of the sheep, which is the driving element of the pile during its fall, a moving sleeve.
  • the friction of this moving sleeve on its seals can cause a delay and an inaccuracy in the control of the movement of this jacket, control based on an automatic pneumatic action obtained during the rise of the sheep, described in the application 707119.
  • a servo-controlled pressure-sensitive valve is proposed, however this pressure depends not only on the upward movement of the sheep, but also on the air temperature trapped above the sheep, this temperature increasing after a few cycles , which also constitutes a source of inaccuracy of the control of the shirt.
  • the devices for anchoring and releasing the sheep on the one hand, and control of these different phases of the work cycle on the other hand are totally different.
  • the device for guiding the hammer on a backhoe machine described in the application CH707119 did not provide sufficient guarantees of maintaining the hammer in the correct position during the striking of the pile, with regard to the reaction movements on the hammer after each percussion of the sheep on the pile.
  • the present application comprises a slide which allows a much better guidance of the hammer.
  • US5375664 claims a device for driving piles with a hydraulic hammer striking at a rate of more than 400 strokes per minute. At this rate, the mass of the hammer is necessarily relatively small, and the device is aimed at the driving of very thin piles, like piles of fence.
  • the device further comprises a winch, and its installation on a backhoe is not immediate.
  • the application US2006213676 claims a hammer device raised by a pneumatic or hydraulic cylinder. It includes a cable transmission to reduce the impact in reaction on the rod of the cylinder. Installation of the device on a backhoe is not immediate.
  • US4099579 is a device that can fit on a backhoe without modifying it, for drilling applications. There are several patents proposing to adapt a backhoe for drilling.
  • Patent JP6146279 claims a device for driving piles with a relatively small mass hydraulic hammer, for driving very thin piles, kind of fence pile. His installation on a backhoe is not immediate.
  • One of the features claimed relates to the reduction of reactions on the arm of the excavator to reduce operator fatigue.
  • JP2002129566 application is for a device for essentially extracting piles by resting on a neighboring pile; it would also be able to drive a stake by resting on a neighboring stake urged in traction this time. In this case, the description does not explain clearly what would ensure the driving of the pile instead of the extraction of the neighboring stake.
  • the device comprises a winch and a hydraulic cylinder.
  • the hammer relatively simple and light, can be easily mounted on one of the most common small construction machines, the backhoe, a handy automobile machine par excellence, at the cost of rental and reduced operation. This gives a functional working tool and very low cost, perfectly suited to the task at hand, by design.
  • the device allows a very fast installation of the piles with inexpensive and efficient equipment.
  • the device makes it possible to obtain a cost price of the pile meter that is very low because of its shape and its lightness.
  • the backhoe does not undergo any modification, but receives the device of the invention consisting of added parts that are fixed and removed in a few minutes if necessary.
  • the backhoe can be used without difficulty both in its original intended function (no calving, earth moving) and for laying piles.
  • the part of the mechanics added represents only the 15 to 20% of the price of the basic machine (excavator, backhoe or backhoe loader).
  • FIG. the one distinguishes a hammer consisting of a base cylinder 2 made of steel tube inside which slides a sheep 3 of the order of a half ton dropping about 0.45 [m] maximum height.
  • the number of falls per minute would advantageously be 20 to 30 shots.
  • the drop height of the sheep can be adjusted by a pneumatic system cooperating with the hydraulic circuit, so the machinist can vary the threshing force as necessary.
  • the hammer is advantageously guided by a slide which will be detailed below, slide can be fixed to the forearm of the shovel. Then, the hammer is put in position on the pile to be driven and the operator can send the oil pressure to the hammer and adjust the drop height as needed.
  • Sheep 3 consists of a cylindrical steel mass which slides from top to bottom and vice versa in the base cylinder 2.
  • This sheep 3 is constructed to withstand shocks, and has on its periphery circular seals, which serve to compress the air on and possibly under the sheep 3. These seals are of the type commonly used in pneumatic devices.
  • a bore for housing a mechanical device 6 provided with various control members 17, 18, 19.
  • a hydraulic jack 4 raises the sheep 3 by the sequence detailed below.
  • the rod 4C of the cylinder 4 provided with a central recess allowing the passage of oil, descends under a very low hydraulic pressure supplied by the supply and distribution block 1, pressure being exerted on the upper face of the piston 4B of the cylinder, ⁇ lower end of the rod 4C of the cylinder comprising the device 6 for locking the driving mass of the sheep 3 on the rod 4C without any effort.
  • This device 6 (detailed in 6A) comprises a small cylinder-shaped piece 17 cylindrical on its upper part and having approximately on its lower part the profile of a bottle with inverted drinks.
  • Figures 3a, 3b, 4 and 5 show details of a possible alternative embodiment of the anchoring device and release with 8 balls by way of example.
  • ⁇ axis of the hydraulic cylinder is shown horizontally for reasons of congestion of the figure; the portion situated above the axis of the jack represents a tubular control piece in the lower position, the portion situated below the axis of the jack represents the same tubular piece in the high position, but these two views indicate two different positions of the same room. Similarly, a ball is shown near the axis on the upper part of FIG. 4, while another ball is shown in position away from the axis on the lower part of FIG. 4.
  • the lower end of the piston rod of the hydraulic cylinder is integral with a disk having an annular portion on its upper face. This annular portion can jam the balls against a concave curved surface and revolution arranged on the lower portion of the internal bore of the sheep. It should be understood that the cylinder rod is much longer than that shown in Figure 4; this rod is shown cut and shortened in FIG. 4 for reasons of congestion of the figure, while sufficiently detailing the anchoring device.
  • this device is as follows: when the balls are jammed as shown at the bottom of FIG. 4, in that the tubular control part has adopted the high position, when rods located on the lower part of this piece have hit the bottom of the bore of the sheep when the end of the fall of the sheep when it comes crashing the intermediate damping device between the sheep and the pile to be driven, the piston of the hydraulic cylinder, subjected to a pressure coming from an automatic hydraulic control system depending on sheep limit sensors, can then, by exerting its passing force by the rod of the cylinder and the balls,
  • a cushion of air trapped between two discs visible on the top of FIGS. 3a and 3b acts as a damper, adjustable by the valves 5, of the upward movement of the sheep. Valves on the disks delimiting the cushion also allow to renew ⁇ compressed air by the sheep during its upward stroke, so as to avoid excessive heating of this volume of air.
  • This damper 7 comprises an upper plate secured in its lower part of a hydraulic cylinder accumulator of a small volume of oil.
  • a metal part 8 receives the movement of the upper plate of the damping au through springs which can be of the coil or blade type, with a damping effect obtained by the oil of the accumulator cylinder which can circulate only through an orifice
  • the metal part 8 slides in the base cylinder 2 in a helical movement at each percussion of the mass of the sheep, with guides or grooves of
  • the metal part 8, 8A transmits its movement to the intermediate plate 9, 9A which is provided with a hexagonal tube 10, 10A of steel transmitting its movement to a complementary piece consisting of a hexagonal steel bolt incorporated in the head of the pile to press.
  • the sectional view BB shows in detail the part 8A and the plate 9A.
  • the bottom of the base cylinder 2 consists of a plate pierced with an opening allowing the passage of the pile to be driven.
  • the pile 15 is advantageously made of high strength centrifuged prefabricated concrete, provided with a steel frame 12, to ensure its strength and rigidity.
  • the pile may also be provided with a recess 14 in its center to allow a possible subsequent injection of concrete.
  • Helical ribs 13 integrated on the cylindrical periphery of the pile constitute a thread allowing the pile to sink into the ground by screwing.
  • This type of pile is an improvement of the pile already claimed in the previous application CH7071 19 A2 of the applicant.
  • the pressure of the volume of air trapped in the cylinder 2 above the sheep can be adjusted via an adjustable side valve 5. This pressure will add an adjustable force directed down when the sheep falls, this force adding to the weight of the sheep.
  • a polytropic evolution with exponent 1.3 we adopt here the Saxon notation of the decimal point instead of the comma, this one being used occasionally as separator of number of designation of components in the text and on the figures)
  • Vi is calculated by the formula ⁇ 1 ⁇ , we obtain 0.0161 [m A 3]
  • the total kinetic energy of 15570 [J] makes it possible to drive the pile of a significant value at each stroke, but according to the actual section of the pile used and the nature of the terrain, the operator can adjust the initial value of the pressure. air at the beginning of the fall of the sheep to a lower value, thanks to the adjustable valves 5 and an optional air inlet adjustment valve located on the outer lateral surface of the cylinder 2, to the right of the visible radial orifices in fig. the. It is clear that the calculation of this energy transmitted to the sheep is approximate; for simplicity losses have not been taken into account, in particular by friction on the joints of the sheep.
  • the pressure oil supply of the hammer and the oil return are ensured by the connections of the power supply and distribution 1.
  • the oil supply of the hammer can be provided by the existing hydraulic circuit on this construction machine.
  • the existing oil pump on the latter must be sufficient to raise the sheep, because it is not requested by the hydraulic cylinders of the shovel, when the hammer is used.
  • FIG. 2 For use of the hammer object of the present application on a backhoe, another improvement of the hammer, compared to the previous application of the applicant already cited above, is constituted by a slide shown in FIG. 2.
  • a slide can be fixed on the forearm of the backhoe and its function is threefold:
  • the slide is made of a steel structure 25 made of structural steel with U-shaped rails allowing the hammer 21 to descend while resting on the structure.
  • the slide has a hydraulic winch 26 driving a triplex chain 23 via a gear wheel 28.
  • the hammer is driven by the chain.
  • the slide is fixed on the forearm of the backhoe by a high resilience bolt 22 and the hammer is placed in position on the pile 24 to be driven by the action of the mechanical and hydraulic system 27 for driving the winch.
  • the oil supply 30 of this drive system is provided by the existing connections on the arm of the backhoe.
  • the slide will be supported at a firm point 29 on the ground so as to ensure the good stability of the slide in the vertical position.
  • Fig. the: hammer shown vertically in section with the sheep in a high position
  • Fig. lb hammer shown vertically in section with the sheep in the down position
  • Fig. 2 slide for the support and guide of the hammer
  • FIG. 5 Fig. 3a, Fig. 3b, FIG. 4, FIG. 5:

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Abstract

L'invention concerne un marteau pneumatique et hydraulique (21) pouvant, entre autres applications, être adapté sur une machine du type pelle hydraulique excavatrice ou pelle rétro. Le marteau permet d'enfoncer dans le sol de manière rapide et économique des pieux en béton armé. L'invention revendique aussi une glissière (25) pour maintenir le marteau en position. L' invention propose également un pieu particulièrement bien adapté à son enfoncement par le marteau proposé. Le marteau est constitué d' un cylindre dans lequel coulisse un mouton et d' un système d' ancrage et de libération simple et robuste de la tige d' un vérin hydraulique qui remonte la masse battante du mouton de manière cyclique. L' alimentation en huile (30) se fait à partir du système hydraulique de la pelle.

Description

MARTEAU PNEUMATIQUE ET HYDRAULIQUE PERFECTIONNÉ POUR LA POSE RAPIDE ET ÉCONOMIQUE DE PIEUX EN BÉTON ARMÉ.
L'invention concerne un dispositif, dorénavant appelé « marteau », pouvant être adapté sur une machine de type pelle hydraulique excavatrice ou rétro-excavatrice, sur pneus ou sur chenilles, couramment utilisée sur les chantiers de construction, permettant d'enfoncer dans le sol de manière rapide et économique des pieux en béton armé, substituant ainsi la traditionnelle grue-marteau à enfoncer des pieux dans le sol.
L'invention permet également l'enfoncement d'un type de pieu étudié pour coopérer avec le dispositif cité, pieu déjà revendiqué avec des caractéristiques différentes dans la demande de brevet antérieure du demandeur publiée sous le numéro CH707119A2.
Chaque fois qu'il est nécessaire d'enfoncer dans le sol des pieux en béton armé sur un chantier de constructions civiles, il faut faire venir et installer une grue-marteau qui est une machine lourde, onéreuse à louer, à transporter et à opérer, et lente à déplacer si l'on doit dépasser le rayon d'action de la grue.
Ce coût élevé limite les applications des pieux en béton armé aux grands chantiers, alors que de nombreuses applications plus modestes ne peuvent pas bénéficier des avantages inhérents à l'utilisation de pieux, à cause du facteur coût cité.
* L'invention permet, par le dispositif proposé, d'étendre de manière notable l'éventail des applications de la technique des pieux à toutes sortes de constructions qui auparavant devaient se contenter des traditionnelles fondations, semelles et colonnes en béton armé coffré sur place.
Depuis plus d'une décennie l'on voit augmenter la fréquence d'inondations souvent catastrophiques dans bien des pays sur tous les continents. Ces inondations sont causées notamment par la montée des eaux de mer, des tsunamis, cyclones, pluies diluviennes, etc.
Le marteau, monté sur des machines existantes, qui sont reconnues d'une qualité à toute épreuve et qui se trouvent en grand nombre dans tous les pays, permet de poser des pieux spécialement conçus formant une combinaison particulièrement heureuse avec le marteau, par une technique nouvelle, rapide et rationnelle. L'invention permet alors d'offrir à une gamme étendue de petites et moyennes constructions une option avantageuse par rapport au système classique de fondations et semelles en béton armé. Par exemple, des constructions en bord de mer, dans des régions régulièrement inondées par une montée des eaux en certaines périodes de l'année, des habitations posées sur des terrains pentus où les fortes pluies s'infiltrent et provoquent des glissements de terrain, bénéficieront de manière remarquable du système de pose de pieux par le marteau objet de l'invention.
Le but de la présente invention est de proposer un marteau pneumatique et hydraulique pouvant, entre autres applications, être adapté sur une machine du type pelle
hydraulique excavatrice ou pelle rétro-excavatrice sur pneus ou sur chenilles, permettant d'enfoncer dans le sol de manière rapide et économique des pieux en béton armé. Un autre but de la présente invention est de proposer une glissière pour maintenir le marteau en position. Un but complémentaire de invention est de proposer un pieu particulièrement bien adapté à son enfoncement par le marteau proposé. L'invention propose un marteau de conception nouvelle, constituant un perfectionnement technique du marteau revendiqué dans la demande de brevet antérieure du demandeur, publiée sous le numéro CH707119A2 citée ici comme référence.
Cet objectif est atteint selon l'invention par les caractéristiques de la revendication indépendante de dispositif et par les caractéristiques de la revendication indépendante d'utilisation.
Il existe des dispositifs décrits et revendiqués dans la littérature des brevets, que l'on peut considérer comme appartenant au même domaine ; certains d'entre eux seront cités ci-dessous.
Les demandes de brevet les plus proches, à la meilleure connaissance du demandeur, sont la demande CH7071 19A2 citée ci-dessus, et la demande CH709495A2 identique à la présente demande PCT et qui a fait objet d' une publication anticipée.
La demande CH707119A2 revendique un dispositif adaptateur pour la pose de pieux en béton armé, pouvant être aisément adapté sur une machine de chantier du type pelle rétro-excavatrice, comportant un bras constituant une petite grue de suspension d' un marteau par un câble, le marteau pouvant être positionné et enboîté sur la partie supérieure d' un pieu à battre dans le sol.
La présente demande, quoique proposant une solution au même problème technique, revendique des caractéristiques techniques améliorées par rapport à celles caractérisant les revendications de la demande 707119. Le demandeur considère que ces nouvelles caractéristiques techniques ne peuvent pas être déduites de manière évidente par Γ homme de métier, constituant ainsi une activité inventive par rapport aux revendications de la demande antérieure.
En particulier, la demande 707119 revendique comme élément de commande de la levée puis de la libération du mouton, qui est l'élément de battage du pieu lors de sa chute, une chemise mobile. La friction de cette chemise mobile sur ses joints d' étanchéité peut causer un retard et une imprécision dans la commande du mouvement de cette chemise, commande basée sur une action pneumatique automatique obtenue lors de la montée du mouton, décrite dans la demande 707119. Dans la revendication no. 2 de cette demande antérieure, une vanne servo-commandée sensible à la pression est proposée, cependant cette pression dépend non seulement du mouvement ascendant du mouton, mais également de la température de air emprisonné au-dessus du mouton, cette température augmentant après quelques cycles, ce qui constitue aussi une source d' imprécision de la commande de la chemise. Dans la présente demande, les dispositifs d' ancrage et de libération du mouton d' une part, et de commande de ces différentes phases du cycle de travail d' autre part, sont totalement différents.
En outre, le dispositif de guidage du marteau sur une machine rétro-excavatrice décrit dans la demande CH707119 n' offrait pas de garanties suffisantes de maintien du marteau dans la bonne position lors de la frappe du pieu, eu égard aux mouvements de réaction sur le marteau après chaque percussion du mouton sur le pieu. La présente demande comporte une glissière qui permet un bien meilleur guidage du marteau.
Le brevet US5375664 revendique un dispositif permettant d'enfoncer des pieux à l'aide d'un marteau hydraulique frappant à un rythme de plus de 400 coups par minute. A ce rythme, la masse du marteau est forcément relativement petite, et le dispositif s'adresse à l'enfoncement de pieux très fins, genre pieux de clôture. Le dispositif comprend en outre un treuil, et son installation sur une pelle rétro n'est pas immédiat.
La demande US2006213676 revendique un dispositif à marteau relevé par un vérin pneumatique ou hydraulique. Il comporte une transmission à câble permettant de réduire l'impact en réaction sur la tige du vérin. L'installation du dispositif sur une pelle rétro n'est pas immédiat.
Le brevet US4099579 est un dispositif pouvant s'adapter sur une pelle rétro sans modifier celle-ci, destiné à des applications de forage. Il existe plusieurs brevets proposant d'adapter une pelle rétro pour le forage.
Le brevet JP6146279 revendique un dispositif permettant d'enfoncer des pieux à l'aide d'un marteau hydraulique de masse relativement faible, destiné à enfoncer des pieux très fins, genre pieux de clôture. Son installation sur une pelle rétro n'est pas immédiat. L'une des caractéristiques revendiquées concerne la réduction des réactions sur le bras de la pelle pour diminuer la fatigue de l'opérateur.
La demande JP2002129566 s'adresse à un dispositif permettant essentiellement d'extraire des pieux en prenant appui sur un pieu voisin ; il permettrait aussi d'enfoncer un pieu en prenant appui sur un pieu voisin sollicité en traction cette fois. Dans ce cas, le descriptif n'explique pas clairement ce qui garantirait l'enfoncement du pieu au lieu de l'extraction du pieu voisin. Le dispositif comporte un treuil et un vérin hydraulique.
Les avantages du dispositif selon l'invention sont essentiellement les suivants :
Le marteau, relativement simple et léger, peut être aisément monté sur l'une des petites machines de chantier les plus courantes, la pelle rétro, machine automobile maniable par excellence, au coût de location et d'opération réduit. L'on obtient ainsi un outil de travail fonctionnel et de coût très réduit, parfaitement adapté à la tâche à effectuer, de par sa conception même.
Le dispositif permet une mise en place ultra rapide des pieux avec du matériel peu coûteux et efficace.
Le dispositif permet d'obtenir un prix de revient du mètre de pieu très bas de par sa forme et sa légèreté.
La pelle rétro ne subit aucune modification, mais reçoit le dispositif de l'invention constitué de pièces rajoutées qui se fixent et s'enlèvent en quelques minutes si nécessaire. Le pelle rétro peut être utilisée sans difficulté aussi bien dans sa fonction prévue d'origine (ni vêlage, terrassement) que pour la pose des pieux.
La partie de la mécanique rajoutée ne représente que le 15 à 20 % du prix de la machine de base (excavatrice, pelle rétro ou tractopelle).
D'autres avantages résultant de l'utilisation de ce dispositif seront mis en évidence plus loin dans ce document après la description détaillée.
Le dispositif sera maintenant décrit en détail en se référant aux figures qui illustrent la présente demande. Sur la Fig. la l'on distingue un marteau constitué d' un cylindre de base 2 réalisé en tube d' acier à l'intérieur duquel coulisse un mouton 3 de l'ordre d'une demi-tonne chutant d'environ 0,45 [m] de hauteur maximum. Le nombre de chutes à la minute serait avantageusement de 20 à 30 coups.
La hauteur de chute du mouton peut être réglée par un système pneumatique coopérant avec le circuit hydraulique, ainsi le machiniste peut varier la force de battage selon la nécessité.
Dans le cas d'une utilisation sur pelle rétro, le marteau est avantageusement guidé par une glissière qui sera détaillée ci-dessous, glissière pouvant être fixée à Γ avant-bras de la pelle. Ensuite, le marteau est mis en position sur le pieu à enfoncer et l'opérateur peut envoyer la pression d'huile vers le marteau et régler la hauteur de chute selon les besoins.
Le mouton 3 est constitué d'une masse en acier cylindrique qui coulisse de haut en bas et vice-versa dans le cylindre de base 2. Ce mouton 3 est construit de manière à résister aux chocs, et comporte sur son pourtour des joints circulaires, qui servent à comprimer l'air sur et éventuellement sous le mouton 3. Ces joints d'étanchéité sont du type couramment employés dans les dispositifs pneumatiques. Au centre du mouton est usiné dans le sens vertical un alésage permettant de loger un dispositif mécanique 6 pourvu de divers organes de commande 17, 18, 19.
Un vérin hydraulique 4 permet de relever le mouton 3 par la séquence détaillée ci- dessous.
a) la tige 4C du vérin 4, pourvue d' un évidement central permettant le passage d' huile, descend sous une très faible pression hydraulique fournie par le bloc d' alimentation et de distribution 1, pression s' exerçant sur la face supérieure du piston 4B du vérin, Γ extrémité inférieure de la tige 4C du vérin comportant le dispositif 6 permettant le verrouillage de la masse battante du mouton 3 sur la tige 4C sans aucun effort. Ce dispositif 6 (détaillé en 6A) comporte une pièce en forme de petit piston 17 cylindrique sur sa partie supérieure et ayant approximativement sur sa partie inférieure le profil d' une bouteille à boissons inversée.
b) quand la tige du vérin touche le fond de Γ alésage du mouton, la pression augmente instantanément dans Γ évidement de la tige du vérin et quand elle atteint environ 30 bars, elle actionne une soupape au bas de la tige qui libère le passage de Γ huile qui peut alors presser des billes 18, avantageusement au nombre de 4, vers Γ extérieur par le mouvement relatif descendant du petit piston 17 situé au bas du vérin, ce petit piston ayant sa partie inférieure en forme de bouteille inversée. Les billes, en s' éloignant de axe du vérin viennent se loger sous un épaulement de Γ alésage intérieur du mouton 3 et sont alors maintenues en place par la partie cylindrique du petit piston 17 et par une jupe 19 située au bas du dispositif 6, ce qui effectue Γ ancrage du bas de la tige dans le mouton 3.
c) la pression continue de monter et quand elle atteint environ 100 bars le bloc d'alimentation et de distribution hydraulique 1 inverse le sens de la pression dans le vérin 4 en exerçant sous le piston 4B du vérin qui remonte alors avec la masse battante du mouton. d) quand le piston supérieur du vérin arrive au haut de sa course, il permet à une pointe en acier disposée sur sa face supérieure d'être actionnée vers le bas par une butée située dans le haut du cylindre 2, ce qui a pour effet d'actionner une soupape qui libère la pression dans l'évidement de la tige, ce qui fait remonter le petit piston 17 au bas du vérin sous l'effet d' un ressort, les billes 18 convergent alors vers l'axe du vérin et la masse est libérée et chute. La pression sous le piston 4B du vérin est simultanément libérée par le dispositif électronique de commande 16, l'huile du vérin retournant par la tuyauterie du bloc d' alimentation 1.
e) quand la masse arrive au bas de sa course et que la tige du vérin vient s'y verrouiller par son dispositif 6, le cycle peut recommencer comme expliqué ci-dessus. Le mouton au bas de sa course est représenté sur la Fig. lb.
Les figures 3a, 3b, 4 et 5 représentent des détails d' une possible variante d'exécution du dispositif d' ancrage et de libération comportant 8 billes à titre d' exemple.
Sur la figure 4, Γ axe du vérin hydraulique est représenté horizontalement pour des motifs d' encombrement de la figure; la partie située au dessus de Γ axe du vérin représente une pièce tubulaire de commande en position basse, la partie située au- dessous de Γ axe du vérin représente la même pièce tubulaire en position haute, mais ces deux vues désignent deux positions différentes de la même pièce. De même, une bille est représentée proche de l'axe sur la partie supérieure de la fig. 4, alors qu'une autre bille est représentée en position loin de l'axe sur la partie inférieure de la fig. 4.
L' extrémité inférieure de la tige du piston du vérin hydraulique visible en détail sur les figures 3a, 3b est solidaire d' un disque comportant une partie annulaire sur sa face supérieure. Cette partie annulaire peut coincer les billes contre une surface courbe concave et de révolution aménagée sur la partie inférieure de alésage interne du mouton. Il faut comprendre que la tige du vérin est beaucoup plus longue que ce que on voit sur la figure 4 ; cette tige y est représentée coupée et raccourcie sur la fig. 4 pour des motifs d' encombrement de la figure, tout en détaillant suffisamment le dispositif d' ancrage.
Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant : lorsque les billes sont coincées comme représenté au bas de la fig. 4, par le fait que la pièce tubulaire de commande a adopté la position haute, lorsque des tiges situées sur la partie inférieure de cette pièce sont venues heurter le fond de alésage du mouton lors de la fin de la chute du mouton quand il vient percuter le dispositif amortisseur intercalaire entre le mouton et le pieu à enfoncer, le piston du vérin hydraulique, soumis à une pression venant d' un système de commande hydraulique automatique dépendant de capteurs de fin de course du mouton, peut alors, en exerçant sa force passant par la tige du vérin et les billes,
avantageusement au nombre de huit, vu la valeur relativement élevée de la force à transmettre, élever le mouton qui va comprimer le volume d' air situé au dessus de lui lors de sa course ascendante. Un coussin d' air prisonnier entre deux disques visibles sur le haut des figures 3a, 3b joue un rôle d' amortisseur, réglable par les soupapes 5, du mouvement ascendant du mouton. Des soupapes présentes sur les disques délimitant le coussin permettent en outre de renouveler Γ air comprimé par le mouton lors de sa course ascendante, de manière à éviter un réchauffement excessif de ce volume d' air.
Lorsque le mouton a atteint sa position la plus haute en fin de course ascendante, des tiges solidaires de la pièce tubulaire de commande viennent heurter Γ extrémité inférieure du cylindre du vérin hydraulique, ce qui fait descendre la pièce tubulaire de commande et permet aux billes de s' échapper de leur position centrifuge, grâce à Γ angle judicieusement choisi pour la face supérieure de la partie annulaire du disque déjà cité comportant une partie annulaire sur sa face supérieure, le mouton étant alors complètement libéré pour amorcer sa chute.
L' effet de la masse battante du mouton 3 est maintenant détaillé comme suit :
La face inférieure du mouton 3, en fin de course descendante, vient percuter un dispositif amortisseur de chocs 7 qui joue un rôle important pour réaliser un transfert progressif de énergie cinétique du mouton au pieu en béton armé que le marteau objet de la présente demande de brevet doit enfoncer dans le sol sans risquer de le casser. Cet amortisseur 7 comporte une plaque supérieure solidaire dans sa partie inférieure d'un cylindre hydraulique accumulateur d'un faible volume d'huile. Une pièce métallique 8 reçoit le mouvement de la plaque supérieure de Γ amortisseur au travers de ressorts qui peuvent être du type à boudin ou à lames, avec un effet amortisseur obtenu par l'huile du cylindre accumulateur qui ne peut circuler qu'en passant par un orifice
judicieusement calibré pour obtenir le coefficient d' amortissement souhaité. La pièce métallique 8 coulisse dans le cylindre de base 2 en suivant un mouvement hélicoïdal à chaque percussion de la masse du mouton, grâce à des guides ou rainures de
configuration hélicoïdale (détail 8A) coopérant avec des éléments complémentaires 2A situés sur la face interne du cylindre de base, comme représenté sur la Fig. le par le détail désigné par 3A. Plusieurs modes de réalisation de ces rainures et éléments complémentaires sont possibles et aisément réalisables par l'homme de métier. La pièce métallique 8, 8A transmet son mouvement à la plaque intermédiaire 9, 9A qui est pourvue d' un tube hexagonale 10, 10A en acier transmettant son mouvement à une pièce complémentaire constituée d'un boulon hexagonal en acier incorporé en tête du pieu à enfoncer. La vue en coupe BB montre en détail la pièce 8A et la plaque 9A.
Le bas du cylindre de base 2 est constitué d'une plaque percée d'une ouverture permettant le passage du pieu à enfoncer.
Le pieu 15 est avantageusement constitué de béton préfabriqué centrifugé à haute résistance, pourvu d'une armature en acier 12, pour garantir sa résistance et sa rigidité. Le pieu peut en outre être pourvu d'un évidement 14 en son centre pour permettre une éventuelle injection postérieure de béton. Des nervures hélicoïdales 13 intégrées sur le pourtour cylindrique du pieu constituent un pas de vis permettant au pieu de s'enfoncer dans le sol en se vissant. Ce type de pieu constitue un perfectionnement du pieu déjà revendiqué dans la demande antérieure CH7071 19 A2 du demandeur.
Lors de la remontée du mouton 3, la pression du volume d'air emprisonné dans le cylindre 2 au-dessus du mouton peut être ajustée par l'intermédiaire d'une vanne latérale réglable 5. Cette pression permettra d'ajouter une force réglable dirigée vers le bas lors de la chute du mouton, cette force s' ajoutant au poids du mouton.
On peut estimer ici l'énergie cinétique acquise par le mouton en fin de course descendante. La force exercée sur le mouton, dirigée vers le bas, est la somme du poids du mouton, de 500 [kgf] par exemple, plus la force due à la pression d'air sur la face supérieure du mouton. Prenant par exemple 1800 cmA2 comme surface de la face supérieure du mouton, et 6 bar comme pression initiale maximum de l'air, on aura une force initiale de 1800 x 6 = 10800 [kgf]. Cette force va diminuer à mesure de l'augmentation de volume au-dessus du mouton suite à la descente de celui-ci. On peut estimer une évolution polytropique à exposant 1.3 (on adopte ici la notation saxonne du point décimal au lieu de la virgule, celle-ci étant occasionnellement employée comme séparateur de numéros de désignation de composants dans le texte et sur les figures)
P x VA1.3 = k où k est une constante ; on aura alors :
Pf x VfA1.3 = Pi x ViA1.3 { 1 }
avec Pf = pression finale = 1 [bar] absolu
Pi = pression initiale = 7 [bar] absolu
Vf = volume final sur le mouton = 1800 [cmA2] x 0.4 [m] = 0.072 [mA3] Vi = volume initial.
Vi est calculé par la formule { 1 } , on obtient 0.0161 [mA3]
Et l'énergie obtenue par cette détente polytropique de l'air est donnée par la formule classique :
Wa = (Pf x Vf - Pi x Vi)/(1 - 1.3) = 13570 [Joules].
Estimons maintenant l'énergie cinétique acquise par la chute du poids de 500 [kgf] : Wp = M x g x h = 5000 [N] x 0.4 [m] = 2000 [J]
L'énergie cinétique totale de 15570 [J] permet d'enfoncer le pieu d'une valeur notable à chaque coup, mais suivant la section effective du pieu utilisé et la nature du terrain, l'opérateur pourra ajuster la valeur initiale de la pression d'air au début de la chute du mouton à une valeur plus faible, grâce aux soupapes réglables 5 et à une vanne optionnelle de réglage de Γ entrée d' air située sur la surface latérale externe du cylindre 2, au droit des orifices radiaux visibles sur la fig. la. Il est clair que le calcul de cette énergie transmise au mouton est approximatif ; pour simplifier on n'a pas tenu compte des pertes, notamment par friction sur les joints du mouton.
L'alimentation en huile sous pression du marteau et le retour d'huile sont assurés par les connexions du bloc d'alimentation et distribution 1. Dans le cas d'utilisation du marteau sur une pelle-rétro, l'alimentation en huile du marteau peut être assurée par le circuit hydraulique existant sur cette machine de chantier. La pompe à huile existante sur celle- ci doit suffire à remonter le mouton, car elle n'est pas sollicitée par les cylindres hydrauliques de la pelle, lorsque le marteau est utilisé.
Pour Γ utilisation du marteau objet de la présente demande sur une pelle rétro, un autre perfectionnement du marteau, par rapport à la demande antérieure du demandeur déjà citée ci-dessus, est constitué par une glissière représentée sur la Fig. 2. Une telle glissière peut-être fixée sur Γ avant-bras de la pelle rétro et sa fonction est triple:
i- mieux guider le marteau pour qu'il conserve sa position verticale lors du travail d'enfoncement ;
ii- éviter la rotation du marteau sous 1 effet de réaction lors de l'induction du mouvement de rotation du pieu par la pièce 8 et la plaque 9; iii- amortir la réaction vers le haut sur le cylindre de base 2 du marteau à chaque percussion du mouton 3.
La glissière est constituée d'une structure métallique 25 en acier de construction comportant des rails en U permettant au marteau 21 de descendre en prenant appui sur la structure. La glissière comporte un treuil hydraulique 26 entraînant une chaîne triplex 23 par l'intermédiaire d' une roue dentée 28. Le marteau est entraîné par la chaîne. La glissière est fixée sur avant-bras de la pelle rétro par un boulon à haute résilience 22 et le marteau est mis en position sur le pieu 24 à enfoncer par l'action du système mécanique et hydraulique 27 d' entraînement du treuil. L'alimentation en huile 30 de ce système d'entraînement est assurée par les connexions existantes sur le bras de la pelle rétro.
En outre, la glissière prendra appui en un point ferme 29 sur le sol de manière à garantir la bonne stabilité de la glissière en position verticale.
Légende des figures
Fig. la : marteau représenté verticalement en coupe avec le mouton en position haute
Fig. lb : marteau représenté verticalement en coupe avec le mouton en position basse
Fig. le à li: vue en détail des divers éléments
Fig. 2 : glissière pour le soutien et le guidage du marteau
Fig. 3a, Fig. 3b, Fig. 4, Fig. 5 :
représentation détaillée d' une possible exécution du dispositif d' ancrage du mouton.
Légende des éléments constitutifs du marteau
1 Bloc d' alimentation et de distribution hydraulique
2 Cylindre de base
2 A Eléments fixés au cylindre principal servant à donner une rotation au pieu,
coopérant avec les pièces mobiles 7,8A,9A
3 Mouton
3A Détail des éléments 2A situés sur une hauteur limitée du cylindre de base
4 Vérin hydraulique pour levage du mouton
5 Entrée d'air sur le mouton avec réglage de débit
6 Dispositif mécanique pour ancrer la tige du vérin au mouton puis le relâcher
7 Amortisseur de chocs avec ressorts et cylindre hydraulique
8 Pièce métallique qui coulisse à l'intérieur du cylindre de base en suivant un
mouvement hélicoïdal. Détaillée en 8A.
9 Plaque qui reçoit l'impact et la rotation de la pièce 8 et la transmet au pieu
10 Clé hexagonale en acier qui reçoit la rotation de la pièce 9 et la transmet au pieu Guide servant à l'introduction du pieu dans l'axe du marteau Acier d'armature autour du pieu garantissant la rigidité de celui-ci Nervure en pas de filet autour du pieu, intégrée au béton du pieu Centre du pieu évidé pour éventuelle injection de ciment
Pieu en béton armé centrifugé à haute résistance
Commande électronique pour fonctionnement du vérin.

Claims

REVENDICATIONS
1. Marteau pneumatique et hydraulique permettant d'enfoncer dans le sol de
manière rapide et économique des pieux en béton armé, caractérisé en ce qu'il comporte un cylindre en acier (2) dans lequel peut coulisser de manière étanche grâce à des joints annulaires un mouton (3) constituant une masse d'impact capable d'enfoncer un pieu par battage à coups successifs, le cylindre (2) comportant dans sa partie supérieure un vérin hydraulique (4) pourvu d' une tige tubulaire (4C) ayant pour fonction de descendre dans le mouton (3) pour le remonter ensuite, caractérisé en outre en ce que le mouton (3) comporte en son centre un alésage orienté verticalement permettant de loger un dispositif mécanique (6) constitué d' un petit piston (17) cylindrique sur sa partie supérieure et ayant approximativement sur sa partie inférieure le profil d' une bouteille à boissons inversée, ce petit piston pouvant coulisser dans une jupe tubulaire (19) fixée au bas de la tige (4C), le dispositif (6) étant pourvu en outre de billes (18) pouvant se déplacer selon un mouvement centrifuge au travers d'orifices latéraux aménagés dans la jupe (19), le déplacement des billes étant obtenu par une pression hydraulique réduite provenant d'un bloc d' alimentation hydraulique (1) situé dans la partie supérieure du cylindre (2), bloc contrôlé par une commande électronique (16), la pression s 'exerçant sur la face supérieure du piston (4B) du vérin et dans la partie centrale de la tige (4C) et pouvant augmenter spontanément pour vaincre une soupape lorsque la tige (4C) atteint le fond de Γ alésage du mouton, la pression s' exerçant sur le petit piston (17) qui peut alors descendre dans la jupe (19), la forme du piston étant étudiée pour chasser les billes vers Γ extérieur, les billes pouvant ainsi s' intercaler entre la partie inférieure de la jupe et un épaulement de Γ alésage intérieur du mouton (3), les billes étant alors maintenues en place par la partie cylindrique du petit piston (17), permettent de réaliser ancrage de la tige (4C) dans le mouton, une inversion de pression dans le vérin (4) commandée par le bloc hydraulique (1) pouvant alors remonter la tige (4C) et le mouton (3), l'élévation du mouton pouvant en même temps comprimer l'air situé au dessus du mouton jusqu'à ce que celui-ci occupe la position la plus haute dans le cylindre (2), le marteau étant en outre caractérisé en ce que la face supérieure du piston (4B) du vérin est pourvue d' une pointe en acier pouvant être actionnée vers le bas par une butée située dans le haut du vérin (4) quand le piston (4B) atteint le haut de sa course, la pointe pouvant actionner une soupape qui libère la pression dans évidement de la tige (4C), ce qui permet au petit piston (17) au bas du vérin de remonter sous Γ effet d' un ressort, permettant aux billes (18) de converger alors vers axe du vérin, libérant ainsi la masse qui peut chuter pour pouvoir accomplir sa fonction de battage d' un pieu en le percutant directement ou préférentiellement au travers d' un dispositif amortisseur, la pression sous le piston (4B) du vérin étant simultanément libérée par le dispositif électronique de commande (16), Γ huile du vérin retournant par une tuyauterie du bloc d' alimentation (1), le piston du vérin (4) et la tige (4C) pouvant aussi retomber dans alésage du mouton, les constituants du marteau pouvant alors recommencer un nouveau cycle.
2. Marteau pneumatique et hydraulique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mouton (3) peut transférer son énergie cinétique accumulée lors de sa chute au pieu à enfoncer au travers d' un dispositif amortisseur de chocs (7) qui constitue partie intégrante du marteau, cet amortisseur (7) comportant une plaque supérieure solidaire dans sa partie inférieure d'un cylindre hydraulique accumulateur d'un faible volume d'huile, Γ amortisseur étant en outre pourvu d'une pièce métallique (8) qui peut recevoir le mouvement de la plaque supérieure de amortisseur au travers de ressorts avec un effet amortisseur obtenu par l'huile du cylindre accumulateur qui ne peut circuler qu'en passant par un orifice judicieusement calibré pour obtenir le coefficient d'
amortissement souhaité, la pièce métallique (8) pouvant coulisser dans le cylindre de base (2) en suivant un mouvement hélicoïdal à chaque percussion de la masse du mouton, grâce à des guides ou rainures de configuration hélicoïdale (8A) coopérant avec des éléments complémentaires (2A) situés sur la face interne du cylindre de base, la pièce métallique 8 pouvant transmettre son mouvement de translation et de rotation à une plaque intermédiaire (9) pourvue d' un dispositif de couplage apte à transmettre au pieu le couple de rotation conjointement à l'effort axial pour obtenir le vissage du pieu dans le sol.
3. Marteau pneumatique et hydraulique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de couplage de la plaque intermédiaire (9) est constitué d'une clé tubulaire hexagonale apte à coopérer avec un boulon situé en tête du pieu.
4. Glissière spécialement adaptée au marteau de l'une des revendications
précédentes, caractérisée en ce qu'elle permet de mieux guider le marteau pour qu' il conserve sa position verticale lors du travail d' enfoncement, permettant également d'éviter la rotation du marteau sous effet de réaction lors de Γ induction du mouvement de rotation du pieu par la pièce (8) et la plaque (9), et permettant d'amortir la réaction vers le haut sur le cylindre de base (2) du marteau à chaque percussion du mouton (3), caractérisée en outre en ce qu'elle est constituée d' une structure métallique (25) comportant des rails en U permettant au marteau (21) de descendre en prenant appui sur la structure, la glissière comportant en outre un treuil hydraulique (26) entraînant une chaîne (23) par Γ intermédiaire d'une roue dentée (28), le marteau pouvant être entraîné par la chaîne et positionné sur le pieu à enfoncer, la glissière étant caractérisée en outre en ce qu'elle peut être fixée sur avant-bras de l'excavatrice ou de la pelle rétro par un boulon à haute résilience, la glissière comportant en outre un appui au sol 29 permettant à la glissière de garantir une bonne stabilité et son maintien en position verticale, la glissière étant caractérisée en outre en ce que le treuil (26) peut être alimenté en huile par la pompe hydraulique de l'excavatrice.
5. Pieu spécialement adapté au marteau selon l'une des revendications 1 à 3, et pouvant être vissé dans le sol par le mouvement combiné de translation et de rotation fourni par le marteau, caractérisé en ce qu'il est constitué de béton préfabriqué à haute résistance, de préférence par centrifugation, et qu'il comporte une armature en acier (12) et des nervures hélicoïdales (13) intégrées sur le pourtour cylindrique du pieu constituant un pas de vis, le pieu pouvant en outre être pourvu d' un évidement (14) en son centre pour permettre une éventuelle injection postérieure de béton.
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