La présente invention a trait à un perfectionnement aux dispositifs de forage et est notamment applicable aux forages dans le sol, la roche ou le béton.
Les dispositifs de forage connus, qu'ils soient à mèche, foret ou trépan, permettent de forer des trous ayant une section constante et présentant donc une paroi intérieure cylindrique. Or, il est souvent souhaitable de pouvoir augmenter le diamètre du trou en un ou plusieurs emplacements éloignés de l'embouchure de celui-ci et notamment au fond du trou. Un tel accroissement de diamètre, produisant une excavation locale, est par exemple utile lorsque l'on veut augmenter la surface de recueil d'un fond de puits, ou bien lorsque l'on veut simplement, dans des trous destinés à recevoir des pieux, des tirants, chevilles, etc., améliorer l'ancrage de l'lélément dans le trou.
On connaît déjà des outils destinés à augmenter le diamètre d'un fond de puits, lesquels outils présentent une forme cylindrique avec des éléments basculables entre une position rétractée dans laquelle ils ne font pas saillie hors de la paroi cylindrique de l'outil et une position émergente dans laquelle ils émergent hors de cette paroi et permettent, grâce à la rotation de l'outil, de creuser une gorge circulaire dans la paroi du trou. Le basculement de ces éléments entre la position rétractée et la position émergente est assurée au moyen de vérins individuels (GB-A-1 602 317) ou d'un plongeur central relié mécaniquement auxdits éléments et dont la position axiale détermine l'angle de basculement des éléments.
Un tel dispositif est cependant assez complexe et ne se prête pas à la miniaturisation. En outre, la liaison mécanique entre les éléments et le plongeur peut être sujette à des coincements ou à de mauvaises répartitions d'efforts. De plus, l'élément basculant ne travaille pas dans les mêmes conditions au fur et à mesure de son basculement, ce qui influe à la fois sur les caractéristiques du travail et sur la géométrie de l'évidement obtenu.
On a également déjà proposé des outils munis d'éléments de creusement expansibles entre une position rétractée et une position émergente par rapport à la surface généralement cylindrique de l'outil, grâce à un actionnement pneumatique. Une telle disposition présente cependant également des inconvénients. En particulier elle ne permet pas un contrôle convenable du travail qui s'effectue, il faut le rappeler, hors de la vue de l'opérateur.
On connaît enfin, par le US-A-2 334 788, un dispositif de forage qui comprend un outil susceptible d'être introduit dans un trou et d'en être extrait et comporte des éléments de creusement susceptibles d'être déplacés entre une position rétractée à l'intérieur de la surface cylindrique de l'outil et une position émergente dans laquelle la rotation de l'outil provoque le creusement d'une gorge dans la paroi du trou par lesdits éléments, lequel outil comporte une membrane coaxiale étanche, radialement dilatable, sur laquelle sont disposés les éléments de creusement et dont la dilatation fait passer lesdits éléments de la position rétractée à la position émergente et inversement.
Dans ce dispositif connu, l'intérieur de la membrane communique en permanence avec la partie du trou située au-dessous de la membrane, ce qui permet soit de faire refluer vers l'intérieur de la membrane la boue contenue dans cette partie du trou, soit de chasser de l'intérieur de la membrane de l'eau de lavage qui y est introduite par des moyens de mise en pression et qui remonte ensuite entre la paroi du trou et la surface extérieure de la membrane. En raison de cette construction, il est impossible de contrôler le volume d'eau de lavage qui pénètre à l'intérieur de la membrane et qui en sort et par conséquent le degré de dilatation ou de contraction de celle-ci. En définitive, cette construction ne permet pas non plus un contrôle convenable du travail qui s'effectue hors de la vue de l'opérateur.
La présente invention se propose de remédier aux inconvénients rappelés ci-dessus et a pour objet un dispositif de forage du type qui comprend un outil susceptible d'être introduit dans un trou et d'en être extrait et comporte des éléments de creusement susceptibles d'être déplacés entre une position rétractée à l'intérieur de la surface cylindrique de l'outil et une position émergente dans laquelle la rotation de l'outil provoque le creusement d'une gorge dans la paroi du trou par lesdits éléments, lequel outil comporte une membrane coaxiale étanche, radialement dilatable, sur laquelle sont disposés les éléments de creusement et dont la dilatation fait passer lesdits éléments de la position rétractée à la position émergente et inversement, caractérisé en ce que l'intérieur de la membrane est fermé, en fonctionnement, à l'exclusion de sa communication avec un conduit reliant l'intérieur de ladite membrane à une source de liquide mis sous pression par des moyens appropriés.
Etant donné que l'intérieur de la membrane est fermé, les déplacements de la colonne de liquide entre celle-ci et la source de liquide sous pression permet de contrôler le degré de dilatation ou de contraction de la membrane et par conséquent le travail effectif des éléments de creusement.
Il est à noter que le document US-A-2 438 673 décrit un dispositif, destiné à gratter la paroi interne d'un tubage ou d'un puits, dans lequel de l'eau de lavage introduite sous pression dans l'outil s'échappe à la base de l'outil, en établissant dans celui-ci une contre-pression qui tend à pousser individuellement des outils de grattage vers l'extérieur.
De préférence, les éléments de creusement, réalisés par exemple sous forme de barrettes ou secteurs diamantés, sont répartis de façon équi- angulaire autour de la membrane et ces éléments sont avantageusement montés sur des secteurs métalliques dont la paroi interne est au contact de la paroi externe de la membrane de façon que l'expansion de la membrane provoque un déplacement radial desdits secteurs, et par conséquent des éléments de creusement qu'ils supportent alors que la rétraction de la membrane provoque leur retrait en position rétractée.
De préférence, le corps de l'outil fournit des moyens de guidage radial pour les éléments de creusement et/ou pour lesdits secteurs qui supportent ces éléments. Ces moyens de guidage peuvent être composés de simples rainures de la paroi cylindrique de l'outil.
On doit cependant comprendre qu'il n'est pas absolument indispensable d'avoir des moyens de guidage sous cette forme et la paroi cylindrique de l'outil peut être localement absente au niveau desdits éléments de creusement.
De façon particulièrement avantageuse, la membrane, réalisée par exemple en un élastomère tel que du néoprène, peut se présenter sous forme d'une chemise cylindrique dont les deux extrémités sont serties ou serrées convenablement entre le corps de l'outil et des pièces de sertissage, l'une desdites pièces de sertissage étant munie d'un canal pour le passage du liquide entre le conduit d'amenée du liquide et l'intérieur de la membrane qui forme chambre d'expansion.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention le dispositif comporte, loin de l'outil, une chambre de liquide dans laquelle il est possible de mesurer soit visuellement, soit par tout autre moyen, la variation de volume de liquide dans la chambre qui traduit la variation de volume de la membrane et par conséquent la distance du déplacement radial des éléments de creusement. Il est ainsi possible à chaque moment de savoir quelle est la conformation géométrique exacte de l'outil et par conséquent le diamètre de la gorge en train d'être creusée. Le dispositif peut également comporter un manomètre ou un indicateur de pression quelconque permettant de contrôler s'il n'existe pas de fuite, ce qui permet d'être assuré que la variation de volume de liquide constatée correspond bien à un déplacement radial des éléments de creusement.
Les moyens d'établissement de la pression peuvent avantageusement consister en un compresseur, lequel peut être de préférence réversible de façon à établir, en fin d'actionnement, une dépression qui provoque la rétraction de la membrane et, par conséquent, le retrait des éléments de creusement.
Cependant, en variante cette rétraction peut également être assurée par des moyens élastiques, qui peuvent être éventuellement constitués par l'élasticité de la membrane ou par des moyens auxiliaires, permettant de ramener la membrane et les éléments de creusement dans leur position initiale rétractée lorsque la pression a suffisamment diminué dans la chambre limitée par la membrane.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, faite à titre d'exemple non limitatif et se référant au dessin annexé dans lequel:
Le dispositif selon l'invention tel que décrit dans l'exemple, comporte à l'extrémité d'une tige cylindrique allongée 1, munie sur toute sa longueur d'un passage central 2, un outil 3 vissé sur l'extrémité de la tige 1, grâce à un filetage 4. Vers le haut la tige 1 se poursuit jusqu'à une deuxième extrémité par laquelle elle est montée sur des moyens moteurs permettant de l'entraîner en rotation autour de son axe, à l'intérieur d'un trou cylindrique de diamètre légèrement supérieur, préalablement foré, et dont on voit la paroi cylindrique 5 et le fond 6.
L'outil 3 lui-même se présente sous un encombrement extérieur cylindrique ayant le même diamètre que la tige 1, la partie de l'outil 3 vissée sur la tige 1 se prolongeant vers le bas par trois bras 7 délimitant entre eux des fe·.tes allongées 8 disposées autour d'un votu '.e intérieur 9. Les trois extrémités inférieures des bras 7 présentent une partie décrochée 10 laquelle est reçue dans une gorge correspondante d'une pièce de bout 11, dans laquelle elle est maintenue par des bagues convenables. La pièce 11 présente un passage central tronconique 12 alors que l'outil 3 présente également un évidement présentant, vers le volume 9, une portée tronconique 13 qui se rétrécit vers le bas.
A l'intérieur de ce passage se trouve vissé un embout de sertissage 14 gràce à un filetage convenable 15, cet embout se prolongeant par une portée tronconique 16 correspondant à la portée 13. Il est ainsi possible de venir sertir ou serrer, lors du vissage de l'embout 14, une chemise cylindrique en élastomère 17 dont l'autre extrémité est placée autour d'un bouchon de sertissage tronconique 18 qui, lorsqu'il est introduit dans le passage tronconique 12 et avancé vers le bas dans ce passage grâce à un écrou 19 coopérant avec son filetage 20, permet de sertir de façon étanche l'extrémité inférieure de la membrane constituée par la chemise élastomère 17. L'intérieur 21 de la chemise 17 forme un volume constituant une chambre d'expansion qui est en communication avec le passage 2 de la tige 1, grâce à un canal 22 pratiqué dans l'embout 14.
Autour de la chemise 17 sont adhérisés trois segments métalliques allongés 23 sur lesquels sont fixés et collés des éléments de creusement constitués en l'occurrence chaque fois d'une barrette longitudinale formant un secteur diamanté 24.
A la partie supérieure qui émerge hors de l'embouchure du trou de forage dans lequel est disposée la tige, l'extrémité de la tige est reliée de préférence par un joint tournant, à un conduit de volume constant 25 en communication avec le passage 2. Le conduit 25 aboutit à une chambre cylindrique verticale 26 à l'extrémité supérieure de laquelle aboutit une canalisation 27 qui, par une vanne 28, est reliée à une source de pression d'air 29 tellegu'un compresseur ou un réservoir d'air comprimé. Une deuxième canalisation 30 est reliée à une vanne 31 pour former un évent.
Le fonctionnement est alors le suivant: en l'absence de surpression d'air dans la chambre 26, la position de la membrane élastomère 17 est celle représentée sur la partie de droite de la figure 1 ainsi que sur la figure 2. Cette position est appelée position rétractée et l'on voit que dans cette position les éléments de creusement 24, qui sont reliés à la membrane 17 par l'intermédiaire des segments 23, ocupent une position rétractée dans laquelle ils n'émergent pas en dehors de l'encombrement de la surface cylindrique extérieure de l'outil 3, c'est-à-dire en dehors de la surface extérieure des prolongements 7. L'outil, disposé à l'extrémité de la tige 1, peut ainsi être introduit à l'intérieur d'un trou dont le diamètre est très légèrement supérieur à celui de l'outil et de la tige.
On doit comprendre que les caractéristiques de la membrane élastique 17 sont telles que même lorsque l'outil est amené dans une position verticale à l'extrémité inférieure de la tige 1, la pression hydrostatique du liquide contenu dans la chambre 26, le conduit 25, le passage 2, le canal 22 et la chambre 21, est incapable d'exercer une déformation sensible de la membrane 17.
Dans ces conditions, le niveau de liquide est représenté par la ligne en trait interrompu 32, la plus grande partie de la chambre 26 étant alors remplie de liquide.
La vanne 31 étant fermée, on ouvre alors la vanne 28 et l'on commence à élever la pression d'air dans la chambre 26 au-dessus de la surface de liquide. Ceci refoule alors le liquide vers la chambre 21 où la membrane 17 va alors se déformer en s'expansant radialement vers l'extérieur, repoussant radialement vers l'extérieur les segments 23 et les éléments 24 qui sont guidés radialement par les bords des prolongements 7 qui déterminent les fentes 8. Si l'on met en même temps la tige 1 et l'outil 3 en rotation autour de leur axe commun, on comprend que les éléments de creusement 24, qui tournent en frottant contre la paroi 5, vont creuser progressivement dans celleci une gorge dont la section correspond à la partie d'élément 24 qui pénètre dans la matière. Ce faisant, le niveau de liquide se met à baisser dans la chambre 26.
A un certain moment sous l'effet de la poussée du liquide et du creusement de la gorge, les segments 23 viennent en butée contre les prolongements de l'outil 3, de sorte que toute expansion radiale supplémentaire est interdite. Ceci correspond à la position illustrée à gauche sur la figure 1 dans laquelle les éléments de creusement 24 sont dans la position émergente extrême. La chambre 21 a pris alors son volume maximal et le niveau de liquide dans la chambre 26 est arrivé à sa position inférieure représentée par 33.
Il est clair que, si l'on repère la position du niveau du liquide dans la chambre 26 par exemple à l'aide d'une graduation, ou par tout autre moyen tel qu'un flotteur relié à un système indicateur, on peut déterminer la distance de sortie radiale des éléments 24 hors des fentes 8, et ceci à chaque instant pendant le creusement de la gorge dans la paroi 5.
De préférence, la pression d'air à l'intérieur de la chambre 26 est constamment affichée par un manomètre 34. Tant que le manomètre 34 affiche une pression suffisante, on est certain qu'il n'existe pas de fuite et que la baisse du niveau du liquide de la chambre 26 correspond bien à une augmentation de valeur du volume de la chambre 21 formée par la membrane 17.
Lorsqu'on désire, à la fin du creusement de la gorge, ramener les éléments de creusement 24 dans leur position rétractée correspondant à la figure 2 pour permettre l'extraction de l'outil hors du trou, on ferme la vanne 28 et l'on ouvre la vanne 31 ce qui permet de purger l'air et ainsi la force de rappel élastique de la membrane 17 chasse l'excès de liquide hors de la chambre 21 vers la chambre 26 dans laquelle le niveau de liquide se trouve ramené à sa position initiale 32. On peut alors procéder à l'extraction axiale de la tige et de l'outil vers le haut hors du trou.
En variante, si la force de rappel élastique de la membrane 17 est insuffisante, on peut provoquer le retour en position rétractée par exemple grâce à un ressort convenablement disposé et qui tend à s'opposer à l'écartement radial des segments 23.
Dans une autre variante, on peut établir une dépression dans la chambre 26 de façon à ramener la membrane 17 dans sa position rétractée.
Bien entendu, l'invention est susceptible de faire l'objet de diverses modifications. Ainsi, au lieu de prévoir des éléments de creusement 24 sous forme de barrettes rectilignes s'étendant presque sur toute la lonqueur de la membrane 17, on peut remplacer ces éléments par plusieurs éléments de moindre longueur écartés axialement les uns des autres. De même, la section et le profil des éléments de creusement 24 peuvent varier à volonté.
De plus, on comprend que le disµosiiif selon l'invention, qui permet le forage d'une gorge au fond d'un trou, peut également être agencé pour permettre de forer le trou lui-même. Il suffit de prévoir à l'extrémité inférieure de l'outil 3, un outil de forage convenable de sorte que l'on fore d'abord le trou puis, en arrêtant de préférence la descente de l'outil, on effectue ensuite le creusement de la gorge grâce à l'expansion des éléments 24 depuis la position rétractée vers la position émergente.
Par ailleurs, les éléments de creusement 24 peuvent ne pas être diamantés, notamment lorsqu'ils ont à travailler dans une roche tendre (craie par exemple). Ils peuvent être constitués ou revêtus de toute matière abrasive appropriée.
Selon une autre variante, la membrane ou gaine 17 peut être disposée autour d'un tube rigide; le canal 22 est alors mis en communication avec une chambre 21, de forme annulaire, qui est comprise entre la membrane 17 et le tube en question.
Selon encore une autre variante, le canal 22 comprend deux branches, l'une pour amener le liquide capable de gonfler la membrane 17 (comme décrit ci-dessus) et l'autre pour amener dans la zone des fentes 8 un liquide servant à refroidir les éléments de creusement 24. Dans le cas de la variante précédente où la membrane 17 est disposée autour d'un tube rigide, la deuxième branche du canal 22 débouche au bas d'un tel tube de façon que le liquide de refroidissement puisse remonter le long des outils de creusement 24.
Il va de soi que le système d'alimentation sous pression n'a été représenté que schématiquement en haut de la figure 1. C'est ainsi qu'on peut prévoir un robinet d'arrêt au bas de la chambre cylindrique verticale 26, c'est-à-dire au départ de la canalisation 27, pour éviter les phénomènes d'expansion par pression hydrostatique qui ont été signalés ci-dessus. En outre, il y a lieu de prévoir un détendeur ou un limiteur de pression pour l'air agissant sur l'eau, ce qui permet de choisir la pression de coupe idéale sur les éléments de creusement 25 en fonction de la nature de ces éléments 24 et de celle du matériau à rainurer. De toute façon, le susdit système d'alimentation est agencé de façon à faire descendre du liquide vers l'outil 1 d'abord avec augmentation de pression jusqu'à la mise en contact des éléments 24 avec la paroi 5, puis avec maintien de la pression de coupe optimale jusqu'à la fin du travail, puis à laisser remonter ledit liquide jusqu'à dégagement des éléments de creusement 24.