[0001] La présente invention est relative à un système d'enfoncement d'ancrage dans un sol.
En cette fin de 20ème siècle, on constate une grande évolution dans les conditions
d'exécution des chantiers de travaux publics mettant en oeuvre des opérations d'ancrage
et de pose de poteaux.
[0002] Les évolutions techniques se font en particulier dans les directions suivantes :
zones climatiques difficiles (haute température ou grand froid) ; zones géologiques
particulières (sables, marécages, terrains gelés) ; zones de reliefs escarpés ou difficiles
d'accès.
[0003] Par ailleurs, les coûts de la main d'oeuvre, des équipements et des matériels utilisés
deviennent prépondérant dans l'obtention et la bonne fin des marchés d'infrastructures.
Les systèmes utilisés jusqu'à présent tels que le forage de fondation ou battage de
pieux sont dans de nombreux cas difficiles et lourds à mettre en oeuvre et en tout
cas chers en main d'oeuvre et en durée des opérations.
[0004] Par contre, le système proposé et ses variantes répondent à ces contraintes. Il permet
de réaliser des ancrages à cadence élevée dans des natures de sol très variées, dans
des conditions climatiques extrêmes et dans des situations géographiques difficiles.
Il ne nécessite que des équipements légers et une logistique très réduite.
[0005] La présente invention propose notamment un système d'enfoncement d'ancrage par pyrotechnie.
Le concept du pyro ancrage consiste à enfoncer dans le sol un ancrage en particulier
métallique sur lequel on "fixe" une superstructure en utilisant l'énergie délivrée
par une composition pyrotechnique, par exemple de type propergol de sécurité à fort
dégagement gazeux. La pression générée transmet l'essentiel de cette énergie à l'élément
d'ancrage.
[0006] L'originalité de la conception du système d'enfoncement du pyro ancreur, objet du
présent brevet, ressortira de sa description, de la justification des techniques
utilisées et de son diagramme de fonctionnement. Une des particularités importantes
du système proposé par l'invention est d'utiliser, comme masse de recul pour assurer
l'équilibrage des quantités de mouvement, un protecteur acoustique de détente de gaz
absorbant, notamment par gravité, l'énergie de recul.
[0007] La présente invention a donc pour objet un système d'enfoncement d'ancrage dans un
sol par détente de gaz comportant, sur un support destiné à être maintenu fixe par
rapport audit sol, un système de mise à feu et de combustion d'une composition pyrotechnique
ainsi que de lancement d'ancrage, et comportant aussi un protecteur acoustique de
détente de gaz, caractérisé en ce que le protecteur acoustique de détente de gaz
est monté à coulissement sur une rampe de recul réalisant ainsi un équilibrage de
la quantité de mouvements transmise à l'ancrage.
[0008] Avantageusement, le support est un véhicule porteur associé à des moyens de déplacement
de la rampe de recul et du protecteur acoustique monté sur ladite rampe, d'une position
de transport sur ledit véhicule à une position de travail. Les moyens de déploiement
peuvent compor ter un bras télescopique monté sur le véhicule et par rapport auquel
la rampe de recul peut basculer d'une position de transport à une position de travail
sous l'action d'un vérin associé audit bras.
[0009] Le protecteur accoustique est préférentiellement un tube ouvert à une de ses extrémités
destinée à être en regard du sol en position de travail et qui est muni en son intérieur
vers son autre extrémité, du susdit système de mise à feu, de combustion et de lancement.
Ledit tube peut être prolongé au-delà de son extrémité destinée à être en regard du
sol en position de travail, par une jupe souple. Ledit tube peut aussi comprendre
deux demi-coquilles articulées par rapport à une partie principale de façon à permettre
l'ouverture du tube en vue du chargement dudit système.
[0010] Avantageusement encore, le système de mise à feu, de combustion et de lancement,
comporte un piston destiné à rester solidaire de l'ancrage en cours d'enfoncement,
une tête d'ancrage définissant avec ledit piston une chambre de combustion, un boîtier
générateur de gaz disposé dans ladite chambre de combustion et contenant ladite composition
pyrotechnique, un verrouilleur d'ancrage solidaire du protecteur acoustique. Le verrouilleur
d'ancrage peut comprendre deux machoîres mobiles destinées à assurer le blocage de
la tête d'ancrage. Le boîtier générateur de gaz peut être en un matériau thermoplastique
ou composite et sa structure peut être fragilisée pour s'ouvrir à basse pression hors
de son logement d'utilisation. La composition pyrotechnique peut être un propergol
utilisable entre - 40°C et + 70°C.
[0011] Les ancrages peuvent comporter en particulier un limiteur de pénétration et des ailettes
de pénétration dans le sol.
[0012] La description qui va suivre est purement illustrative et non limitative. Elle doit
être lue en regard des dessins annexés. Sur ces dessins :
La Figure 1 est une vue de côté d'un système d'enfoncement d'ancrage conforme à l'invention
;
la Figure 2 est une vue de côté d'un détail du système de la Figure 1 ;
La Figure 3 est une vue en coupe du système de mise à feu, de combustion et de lancement
du système d'enfoncement de la Figure 1 ;
La Figure 4 est une vue en perspective d'un détail du système de la Figure 1 ;
Les Figures 5 et 6 sont des coupes du boîtier générateur de gaz du système de la
Figure 1 ;
Les Figures 7 à 8 sont des représentations d'une variante de réalisation de l'invention.
Les Figures 9 à 13 sont des représentations d'ancrage du système conforme à l'invention.
[0013] Le système pyro ancreur est constitué préférentiellement d'un véhicule pyro ancreur,
d'un camion ravitailleur transportant les ancrages, ce camion étant équipé ou non
d'un bras de manutention, des ancrages et des générateurs de gaz, éventuellement
d'un engin manipulateur faisant la navette entre le véhicule pyro ancreur et le camion
ravitailleur.
[0014] Le véhicule pyro ancreur est constitué par (Figure 1) une rampe de recul 1 et son
système hydraulique de positionnement 2, un verrouilleur d'ancrage hydraulique 3
et le système de mise à feu 4, un protecteur acoustique de détente des gaz 5, l'ensemble
étant monté sur un véhicule porteur 43 adapté au type de chantier. Sans sortir du
cadre de l'invention, la rampe de recul peut être remplacée par une gouttière ou un
tube de recul ; le tube de recul fait alors office de protecteur acoustique de détente
des gaz. Le véhicule porteur 43 (Figure 6) peut être un engin tout terrain équipé
d'un bras télescopique 32 déplaçable dans le plan vertical. Ceci permet d'enfoncer
des ancrages dans des emplacements situés en contrebas ou en élévation par rapport
à la position du véhicule porteur.
[0015] Dans le cas d'enfoncement de petits ancrages, ne nécessitant pas de longeur de rampe
de recul importante, on placera, selon l'invention, celle-ci préférentiellement verticalement
par exemple à l'avant ou à l'arrière du véhicule porteur. Dans le cas d'enfoncement
d'ancrages plus importants, on devra généralement faire appel à une rampe de recul
plus longue. Pour satisfaire aux gabarits routiers, lors des transports, on placera,
cette rampe préférentiellement horizontalement. Le déploiement en position verticale
se fera à l'aide de bras mobiles animés par des vérins préférentiellement hydrauliques.
[0016] Les Figures 1 et 2 présentent des moyens et un mode préférentiels de déploiement
de la rampe de recul sur le véhicule pyro ancreur 43 de principe. La rampe de recul
1 et son système ancreur sont posés sur un berceau 7 et liés à lui par un axe de rotation
8. L'ensemble berceau 7 et rampe de recul 1 est déplacé horizontalement le long de
deux rails 6 fixés au véhicule porteur à l'aide de vérin de positionnement de la rampe
27 tel que l'axe de rotation 8 soit correctement positionné par rapport au point souhaité
d'enfoncement de l'ancrage. La rampe de recul 1 est redressée par déploiement du
vérin de redressement 28 qui est fixé sur le berceau 7. Les deux patins 29 permettent
l'appui au sol de la rampe de recul. Ils sont déployés par deux vérins 30. L'articulation
31 de chaque patin 29 avec son bras de vérin 30 est selon l'invention de type de rotule
à mouvement limité pour permettre une bonne adaptation aux irrégularités du sol sans
gêner le passage de l'ancrage lors de son enfoncement. Le réglage de la directivité
de l'enfoncement, donc de la rampe de recul, est assuré en devers d'une part par
les patins hydrauliques équipant le véhicule porteur puis les patins 29 de la rampe
de recul et de leurs vérins 30 ; en site elle est assurée par le vérin de redressement
28.
[0017] Sans sortir du cadre de l'invention, on pourra utiliser d'autres moyens et modes
de déploiement tel que bras articulés montés sur vérin ou bras de grue.
[0018] Dans le cas préférentiel d'un véhicule porteur tout terrain équipé d'un bras télescopique
déplaçable dans un plan vertical, les Figures 7, 8 présentent un moyen et des modes
préférentiels de déploiement de la rampe de recul. La rampe de recul 33 et son système
ancreur sont liés au bras télescopique 32 par une "tête de télescope" 34 équipée d'un
vérin 35 qui permet de faire basculer la rampe de recul 33 de la position horizontale
de transport sur route à la position verticale d'emploi. Un vérin 36 situé entre le
châssis du véhicule porteur et le bras télescopique 32 permet de déplacer celui-ci
dans un plan vertical. Les deux patins 37 et leurs vérins de déploiement 38 permettent
d'améliorer la stabilité au sol du véhicule porteur et de compenser son devers dus
aux inégalités de terrain.
[0019] Comme le présente la Figure 3, pour faciliter les opérations de chargement d'ancrage
équipé 9 dans le système de lancement, on a choisi, un tube de lancement de l'ancrage
en deux parties : tête d'ancrage 12 et un verrouilleur d'ancrage 3. La tête d'ancrage
12 assure le guide de l'ancrage et la tenue à la pression. Le verrouilleur d'ancrage
3 assure la préhension rapide et précise de l'ancrage équipé 9, son blocage, la précision
de l'axe de lancement et le réglage de la hauteur de la garde au sol avant tir de
l'ancrage équipé. On pourra faciliter l'introduction de la tête d'ancrage 12 dans
le verrouilleur d'ancrage 3 en plaçant sous le verrouilleur d'ancrage un guide de
positionnement et sur la tête d'ancrage 12 un rebord qui viendra glisser sur le guide
de positionnement au moment de l'introduction de l'ancrage. Le verrouilleur d'ancrage
3 dans lequel se loge l'ancrage équipé est constitué de deux machoîres 9. Celles-ci
sont aisément interchangeables pour accepter des têtes d'ancrage de diamètres variables
selon les ancrages à effectuer avec le même véhicule pyro ancreur. Elles sont actionnées
par des vérins hydrauliques 20. On pourra ainsi utiliser un seul vérin agissant sur
les deux machoîres. Le verrouilleur d'ancrage 3 est déplacé le long de la rampe de
recul 1 par un vérin hydraulique 21. L'ancrage 10 est équipé d'un piston réutilisable
11 et d'une tête d'ancrage réutilisable 12. La chambre de combustion 13 ainsi formée
contient le générateur de gaz 14 qui pour des raisons de sécurité est placé dans cette
chambre préférentiellement au moment du chargement de l'ancrage équipé dans le pyro
ancreur. La fermeture de la chambre 13 est assurée par un verrou 15 à fermeture rapide.
[0020] L'étanchéité de la chambre 13 et la précision du guidage initial de l'ancrage 9 équipé
de son piston 11 sont assurées par la précision de l'usinage de la tête d'ancrage
12 et du piston 11 qui sont réutilisables. Pour des raisons économiques, le "diamètre"
extérieur de l'ancrage consommable est brut de fabrication. La longueur de guidage
du piston 11 assure le non coincement de l'ancrage équipé au cours du mouvement, ce
que n'assurerait pas une simple plaque d'appui avec ou sans joint. Le piston 11 est
intérieur à la tête d'ancrage pour faciliter le préhension automatique et précise
de celle-ci dans le verrouilleur d'ancrage. L'ensemble ancrage, piston et tête d'ancrage
est assemblé par simple goupillage.
[0021] Comme le présente les Figures 5 et 6, le générateur de gaz 14 comprend un boîtier
16 étanche préférentiellement en matériaux composites ou thermoplastiques comportant
ou non des évents obturateurs. La structure du générateur de gaz peut être aussi
métallique, en carton, en matériau composite ou fabriqué à l'aide d'une combinaison
de ces matériaux. Les matériaux plastiques ont été choisis afin qu'en cas d'incendie,
le matériau de structure soit fragilisé à une température inférieure à la température
d'auto-inflammation des produits pyrotechniques. La structure reste intacte lors
du fonctionnement du générateur de gaz, mais elle peut aussi soit brûler, soit éclater
lors du fonctionnement. La solution préférentielle limite les résidus de combustion
et de fonctionnement et permet d'utiliser des poudres à haute pression de combustion
sans générer ces hautes pressions dans la chambre de poussée. Ces hautes pressions
créent de trop fortes accélérations sur les ancrages et des contraintes dimensionnelles
sur les parois de la chambre de poussée. Afin d'assurer la tenue mécanique de la structure
pendant le fonctionnement, on choisira de mettre en appui une partie d'entre elle
sur les parois du logement du générateur. En effet, on a choisi pour des raisons
de sécurité au transport et en stockage, de permettre une ouverture basse pression
du générateur de gaz en cas de mise à feu inopinée de celui-ci.
[0022] Le col de la chambre de combustion est préférentiellement lié à la structure du
générateur de gaz, mais il peut aussi être lié à la structure du logement du générateur
de gaz sous forme d'un élément interchangeable après une grande série de lancements.
Le col de la chambre est constitué indifféremment de un ou plusieurs orifices. Ceux-ci
sont cylindriques ou convergents afin de limiter la vitesse des gaz préjudiciables
au rendement du système générateur de gaz ; mais sans sortir du cadre de l'invention,
on peut utiliser un orifice comportant dans son épaisseur une partie divergente. En
particulier, pour permettre le conditionnement de toutes les formes d'éléments de
propergol avant et pendant la combustion, on utilisera un générateur à multiples petits
orifices. L'obturation de ces multiples orifices est effectuée préférentiellement
par une sous-épaisseur de la matière au droit de ces orifices. Sans sortir de l'invention,
on peut utiliser d'autres systèmes tels que, double paroi intérieure fine, adhésif
aluminisé... Ce boîtier contient le propergol 17 "tout temps" pour des raisons de
sécurité et de régularité de performances entre - 40°C et + 70°C. Sans sortir du cadre
de l'invention, on pourra utiliser d'autres types de compositions pyrotechniques.
[0023] L'allumage est assuré par un composant pyrotechnique 18 initié par un rayonnement
laser ou par un composant pyrotechnique initié par percussion. On pourra utiliser
aussi des inflammateurs électriques insensibles aux rayonnements électriques ou électromagnétiques
et aux charges électrostatiques. L'utilisation d'un composant pyrotechnique initié
par rayonnement type laser permet de s'affranchir des problèmes d étanchéité et de
précision de positionnement entre la gargousse et le système d'initiation. De plus,
on accroît la sécurité aux chocs et aux environnements divers. Le système d'initiation
comprend une interruption de chaîne d'initiation dit aussi dispositif de sécurité
d'initiation. Ce système intégrera, en interdiction de fonctionnement, les différentes
données de sécurité telles que la verticalité fournie par des capteurs de verticalité,
la fermeture de verrouilleur d'ancrage et la fermeture de protecteur acoustique.
[0024] Comme le présente la Figure 4, on a choisi de limiter les effets acoustiques et gazeux
de la détente des gaz du générateur de gaz en utilisant un protecteur acoustique
5 dans lequel on surdétend les gaz.
[0025] Pour faciliter les manipulations de chargements des ancrages équipés 9, vérifier
visuellement la conformité de ce chargement, et limiter la hauteur de la rampe de
recul, on a choisi un protecteur acoustique à ouverture, par exemple en demi-coquilles
22 dont les masses sont équilibrées de chaque côté du système ancreur. Ces deux demi-coquilles
22 sont refermées à l'aide de vérins 23 après le chargement de l'ancrage équipé 9
dans le verrouilleur d'ancrage 3. On peut aussi utiliser un protecteur acoustique
en matériaux souples qui se relève lors du chargement ; un protecteur acoustique gigogne
en éléments rigides qui s'emboîtent lors du chargement, un protecteur acoustique rigide
en un seul élément qui se dégage par élévation le long de la rampe de recul et ce
indépendamment du verrouilleur d'ancrage. Le protecteur acoustique est équipé à sa
base d'une jupe souple 24 qui assure une certaine étanchéité au niveau du sol en
dépit des irrégularités de terrain.
[0026] L'équilibrage de la quantité de mouvement transmise à l'ancrage et à son piston
est assuré par la remontée, le long de la rampe de recul, du verrouilleur d'ancrage,
de la tête d'ancrage et du protecteur acoustique, ensemble que l'on appellera masse
de recul.
[0027] Soient e l'énergie transmise à l'ancrage et à son piston, m la masse de l'ancrage
et de son piston, M la masse de recul, h la hauteur de recul, et g la gravité.
[0028] La loi d'égalité des quantités de mouvement et les relations entre les énergies cinétiques
et potentielles nous permettent d'écrire :

[0029] Lorsque la masse de recul a atteint une hauteur h correspondant à sa vitesse nulle,
elle est bloquée dès l'amorce de sa redescente par un système à crémaillère 25 et
à cliquet 26 (voir Figure 1). Ce procédé simple et fiable limite les efforts de liaisons
entre la masse de recul et la rampe de recul.
[0030] L'asservissement de la descente de la masse de recul est, selon l'invention, assuré
par le vérin de la rampe 21 qui dégage le cliquet 26 de la crémaillère 25.
[0031] Cependant, on pourra bloquer ou amortir la redescente de la masse de recul à l'aide
d'un autre procédé tel qu'amortisseur pneumatique ou hydraulique.
[0032] Le diagramme opérationnel et de fonctionnement est décrit ci-après.
Mise en position opérationnelle : acheminement des véhicules sur les lieux d'ancrages (le véhicule pyro ancreur est
capable de procéder à un ancrage à environ 4 à 5 mètres du véhicule selon ses équipements)
; basculement de la rampe de recul et du système ancreur, de la position horizontale
de transport à la position verticale de travail ; ouverture simultanée des deux machoîres
du verrouilleur d'ancrage et des demi-coquilles du protecteur acoustique.
Opérations de chargement : choix de l'ancrage correspondant au terrain ; mise en place du générateur de gaz
et fermeture du verrou de sécurité sur la tête d'ancrage ; chargement de l'ancrage
; fermeture du verrouilleur d'ancrage ; fermeture du protecteur acoustique et d'environnement.
Opérations de mise à poste : la rampe de recul et le système ancreur se mettent à poste ; réglage de la verticalité
du système ; descente du système ancreur jusqu'à contact du protecteur acoustique
avec le sol.
Lancement de l'ancrage équipé. Mise à feu : levée de la sécurité de mise à feu ; armement du système de mise à feu ; libération
de l'énergie de mise à feu (rayonnement ou percussion) ; initiation de l'allumeur
de sécurité ; combustion du propergol entraînant une montée en pression dans le générateur,
puis rupture totale ou partielle de la structure du générateur et expansion des gaz
dans la tête d'ancrage ; l'énergie libérée est transmise a) à l'ancrage par l'intermédiaire
du piston , b) à la tête d'ancrage et au système qui remonte le long de la rampe de
recul.
Mouvement de l'ancrage : l'ancrage se déplace à grande vitesse ; en fin de sa course dans la tête d'ancrage,
l'ancrage a atteint sa vitesse maximale et pénètre dans le sol ; son énergie cinétique
est absorbée par la perforation du sol ; la hauteur de pénétration est obtenue par
l'utilisation du générateur de différents chargements qui sont fonction de la nature
du sol et du type d'ancrage ; si l'on souhaite avoir une hauteur de pénétration précise
ou limiter le nombre de types de générateur de gaz, on utili sera des limiteurs de
pénétration (plaques ou segments d'arrêt) qui sont placés sur l'extérieur des tubes.
Mouvement de la masse de recul: l'énergie cinétique du système ancreur (tête d'ancrage et protecteur acoustique)
a été absorbée par sa remontée le long de la rampe de recul ; en fin de course, le
système ancreur est bloqué en "position haute" par le système de verrouillage à crémaillère
et à cliquets ; en position haute, le protecteur acoustique a libéré la partie non
enterrée de l'ancrage et le piston qui est réutilisé ; le véhicule pyro ancreur se
déplace et on procède à la récupération de la tête d'ancrage ; on est alors prêt pour
un nouveau cycle chargement-ancrage.
[0033] Sans sortir du cadre de l'invention, on pourra utiliser des variantes de cette mise
en oeuvre opérationnelle du pyro ancreur.
[0034] Les ancrages doivent se faire dans des sols de types très variés tels que sable,
marécage, argile, calcaire... Ces ancrages, préférentiellement métalliques, seront
de formes et de dimensions variées en fonction de la nature du sol et des efforts
appliqués sur l'ancrage enfoncé, voir Figures 9 à 14.
[0035] Ces ancrages 9 pourront comporter des ailettes latérales 41 qui améliorent la tenue
dans le sol en particulier aux efforts de basculement.
[0036] Ils pourront aussi aussi être équipés de limiteurs de pénétration 42 sous forme de
plaques circulaires ou polygonales ou d'éléments rapportés soudés ou repliés.
[0037] Les profils en coupe des différents ancrages seront adaptés à la nature du terrain
; ils pourront être cylindriques, polygonaux, en "T", en croix, en "H", ...
[0038] Des éléments de fixations rapides des structures sur ces ancrages pourront être intégrés
ou aménagés ; Par exemple tube ou cone d'emboîtement , ergot de fixation, boulons
présoudés.
1. Système d'enfoncement d'ancrage (9) dans un sol par pression de gaz, comportant
sur un support (43) destiné à être maintenu fixe par rapport au dit sol, un système
(3, 12, 16, 18) de mise à feu et de combustion d'une composition pyrotechnique (17),
ainsi que de lancement d'un ancrage (9), et comportant aussi un protecteur acoustique
(5) de détente de gaz, caractérisé en ce que le protecteur acoustique (5) de détente
de gaz est monté à coulissement sur une rampe de recul (27, 33), réalisant ainsi un
équilibrage de la quantité de mouvement transmise à l'ancrage (9).
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le support est un véhicule
porteur (43) associé à des moyens de déploiement (7, 28 ; 32, 34, 35) de la rampe
de recul (27, 33) et du protecteur acoustique (5) monté sur ladite rampe (27, 33),
d'une position de transport sur ledit véhicule (43) à une position de travail.
3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de déploiement
comportent un bras télescopique (32) monté sur le véhicule et par rapport auquel la
rampe de recul (33) bascule d'une position de transport à une position de travail
sous l'action d'au moins un vérin (35) associé audit bras.
4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le protecteur
acoustique (5) est un tube ouvert à une de ses extrémités destinée à être, en position
de travail, en regard du sol et qui est muni en son intérieur, vers son autre extrémité,
du système de mise à feu, de combustion et de lancement (3, 12, 16, 18).
5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit tube est prolongé,
au-delà de son extrémité destinée à être en regard du sol en position de travail,
par une jupe souple (24).
6. Système selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que ledit tube
comprend deux demi- coquilles (22) articulées par rapport à une partie principale
de façon à permettre l'ouverture du tube (5) en vue du chargement du système.
7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le système
de mise à feu, de combustion et de lancement comporte un piston (11) destiné à rester
solidaire de l'ancrage (9) en cours d'enfoncement, une tête d'ancrage (12) définissant
avec ledit piston (11) une chambre de combustion (13), un boîtier (14) générateur
de gaz disposé dans ladite chambre de combustion (13) et contenant ladite composition
pyro-technique (17) et un verrouilleur d'ancrage (3) solidaire du protecteur acoustique.
8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que le verrouilleur d'ancrage
(3) comprend deux machoîres mobiles (19) destinées à assurer le blocage de la tête
d'ancrage (12).
9. Système selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que le boîtier
(14) générateur de gaz est en un matériau thermoplastique ou composite et dont la
structure est fragilisée pour s'ouvrir à basse pression hors de son logement d'utilisation.
10. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les
ancrages (9) comportent au moins un limiteur de pénétration (42) et des ailettes (41)
de stabilisation dans le sol.