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Propriétés des couches de sol et sélection de la benne de forage
Chaque couche de sol possède ses propres propriétés mécaniques, qui influencent l’efficacité du foret et l’usure du godet. L’argile, le sable, les graviers et la roche altérée présentent chacuns des résistances au cisaillement et des caractéristiques d’abrasivité différentes, ainsi que des propriétés cohésives variables. Ces facteurs déterminent la façon dont le godet interagit avec les couches de sol pendant le processus de coupe, ainsi que sa capacité à retenir et à évacuer le sol. L’argile présente une résistance élevée au cisaillement et une forte cohésion ; le godet doit donc être constitué de tôles épaisses. Les graviers sont fortement abrasifs, tandis que la roche tendre usure le godet. La roche altérée exige un design capable de résister aux chocs et de percer la roche. En raison de la grande variabilité des propriétés des sols, ces godets doivent être standardisés au niveau régional là où ils seront utilisés. Dans un exemple concret, les propriétés du sol peuvent passer du sable mou à une roche altérée fortement consolidée. Cela peut entraîner un couple élevé, une réduction de la vitesse de coupe et une usure accélérée du foret. Des données recueillies entre 2022 et 2023 sur des chantiers de fondation en Amérique du Nord révèlent que, si ces propriétés sont ignorées, les coûts totaux de forage augmentent d’environ 40 %, en raison de la défaillance du godet et de la prolongation du processus de forage.
Type de sol, résistance au cisaillement, abrasivité, cohésion, adaptation recommandée du godet
Argile, élevée, faible, élevée, plaques latérales renforcées
Sable, faible, modérée, faible, rapport d’ouverture large
Gravier, modérée, élevée, aucune, dents renforcées
Roche altérée, très élevée, très élevée, variable, conception spécialisée des outils de coupe
Adaptation de la conception du godet de forage pour les formations meubles (sol) et rocheuses
Certaines couches à forte résistance et fortement abrasives exigent une conception/géométrie particulière des dents, un renforcement des plaques latérales et un rapport d’ouverture adapté.
La conception / la géométrie des dents de la benne ainsi que le rapport d’ouverture de la benne jouent un rôle déterminant dans le type de sol qu’une benne est capable de manipuler. Des dents de benne larges et rapprochées permettent un cisaillement continu sur les sols cohésifs. Pour les sols comportant des roches dures et fracturées, les dents de benne doivent être pointues et espacées. Le renforcement des plaques latérales et le rapport d’ouverture de la benne doivent également être pris en compte. Les plaques latérales constituent les côtés de la benne, tandis que le rapport d’ouverture influence ses capacités. Une réduction (15 à 20 %) du rapport d’ouverture augmente la capacité de la benne pour les sols grossiers, fracturés et durs, mais ralentit l’évacuation des matériaux ; à l’inverse, une augmentation (25 à 35 %) du rapport d’ouverture améliore l’écoulement des sols plus fins et moins cohésifs. L’utilisation d’un seul modèle de benne sur des transitions entre argile et roche dure entraîne, dans cette expérience, une diminution d’environ 40 % de la pénétration souhaitée dans le sol, ce qui souligne la nécessité d’adopter une conception adaptée à des usages spécifiques.
Les spécifications matériaux mettent en évidence l'importance que revêtent les nuances d'acier allié et les progrès apportés au traitement thermique sur la durée de vie des godets rallongés.
La longévité de l'acier dépend à la fois du traitement et du procédé de fabrication. Dans les conditions abrasives liées aux roches, on utilise généralement des aciers alliés tels que les 30CrMo ou 40CrNiMo, traités thermiquement pour atteindre une résistance à la traction d'au moins 1 000 MPa. La trempe superficielle par induction ou à la flamme augmente la dureté des dents et des flancs des godets à 48–52 HRC, ce qui améliore la résistance à l'usure face au granite ou au quartzite. À l'inverse, pour les godets destinés principalement à l'extraction d'argile ou de sable, on peut utiliser l'acier moins coûteux 20Mn, soumis à une trempe simple. Ce choix permet d'obtenir une ténacité satisfaisante à moindre coût et d'éviter une utilisation excessive de ressources. Il convient de noter que l'utilisation de godets rocheux à double découpe exige un recuit de détente des contraintes après soudage afin d'éliminer le risque de fissures apparaissant durant le processus de fabrication. L'American Society for Testing and Materials (ASTM) A615/A615M et la norme ISO 6892-1 définissent les exigences minimales en matière d'essais des propriétés mécaniques de ces matériaux ; leur respect garantit une cohérence entre les lots de production. En l'absence d'un alignement adéquat entre le traitement thermique, la composition du matériau et les conditions géologiques rencontrées, la durée de vie des godets diminue d'environ 50 % face à des lentilles rocheuses imprévues. Cela entraîne une augmentation des coûts de maintenance et de remplacement pendant les arrêts non planifiés liés à la formation rocheuse.
Déploiement adaptatif des seaux pour maximiser l'efficacité du forage
Preuve d'application : signes de dégradation du régime moteur / du couple : moments où les seaux doivent être remplacés pendant un perçage
Il existe de nombreuses façons dont une dégradation des performances peut signaler un désaccord entre le sol et la benne utilisée. Une perte de régime continu de 15 % ou plus par rapport à la normale, des oscillations de couple de ±25 % par rapport au couple nominal, ainsi que la présence de vibrations harmoniques inhabituelles sont autant d’indicateurs de mécanique inefficace causée par des transitions de sol. Ces mesures et observations peuvent être collectées à l’aide de systèmes intégrés spécifiques aux constructeurs d’origine (OEM), tels que la télémétrie de la série BG de Bauer et le système SmartDrill de Casagrande. Grâce à ces systèmes, les opérateurs peuvent remplacer les bennes afin d’éviter les dommages. Selon le Rapport de référence sur les opérations 2023 de l’International Foundation Contractors Association (IFCA), les ajustements permis par les données en temps réel relatives à la perte de performance permettent d’effectuer des changements en moins de 30 minutes. L’utilisation de ces données et de cette technologie a permis de réduire de 36 % le temps d’arrêt moyen. Un alignement adéquat des outils maintient la vitesse de pénétration dans une fourchette de ±5 % par rapport à l’objectif fixé, et cette vitesse de pénétration contribue à améliorer le taux d’utilisation global des équipements de 18 % à 34 %.
Intégration des rapports géotechniques et des données en temps réel pour organiser efficacement les commandes de godets de forage
Les principaux entrepreneurs utilisent une combinaison de logs géotechniques interprétables (profils CPTu, valeurs N du SPT et valeurs de résistance au cisaillement mesurées en laboratoire) ainsi que des données en temps réel provenant des foreuses pour établir des ordres prédictifs de godets. Ces ordres prédictifs fonctionnent en séquençant les godets de forage afin qu’ils correspondent aux limites des données géotechniques propres aux couches traversées (par exemple, des godets à argile suivis de coupeurs à gravier, puis d’auges à roche). Les entrepreneurs qui appliquent ces ordres prédictifs signalent une réduction de 27 % des besoins de reprise de travaux et une diminution de 32 % des changements d’outils de forage pendant l’opération. Les ordres prédictifs ont également amélioré la capacité à maintenir les trous de forage dans une déviation acceptable de 2 mm sur 30 m et sont conformes à diverses exigences applicables aux travaux d’infrastructure, telles que les normes ASTM D1586 et EN 1997-2. Les ordres prédictifs transforment le processus de planification des outils et godets de forage, en cours d’opération, d’un processus réactif en un processus planifié centré sur les données.
FAQ
Q. Pourquoi les propriétés du sol sont-elles un facteur à prendre en compte lors du choix d’un godet de forage ?
R. Les performances et l’usure d’un godet de forage dépendent de la résistance au cisaillement, de l’abrasivité et de la cohésion du sol. Un choix adapté du type de godet et du type de sol permet de réduire les dommages subis par le godet et d’améliorer ses performances.
Q. Quels sont les effets des changements brusques de type de sol ?
R. Des changements brusques de type de sol peuvent entraîner une résistance accrue à la pénétration du godet de forage ainsi qu’une usure plus importante de ce dernier, en raison d’un couple plus élevé requis. Cela augmente le besoin de reprises de travaux et le coût global du projet.
Q. Quels facteurs entrent dans la conception d’un godet de forage pour améliorer sa durabilité ?
R. Pour concevoir un godet de forage plus durable, il est essentiel de tenir compte du renforcement des plaques latérales, du rapport des ouvertures, des nuances d’acier allié, de la géométrie des dents et du traitement thermique. Ces facteurs doivent être adaptés aux conditions spécifiques du sol et de la roche.
Q : Que font les opérateurs pour détecter un désalignement de la benne lors du forage ?
R : Un désaccord entre les bennes peut se manifester par une perte constante de tours par minute (tr/min), des pics de couple et des vibrations anormales pendant le forage. Ces signes nécessitent des actions immédiates afin d’atténuer les perturbations et de limiter les temps d’arrêt du système.
Q : En quoi l’association des journaux géotechniques avec la surveillance en temps réel est-elle utile ?
R : L’intégration des journaux géotechniques avec les données en temps réel permet de déterminer la position optimale des bennes tout en réduisant les réalignements ultérieurs du forage. Cette intégration améliore finalement l’efficacité lors du passage à travers des couches de sol variées.
