1. Introduction

Piles de tuyaux en acier de grand diamètre, généralement dépasser 1 mètre de diamètre, sont des éléments fondamentaux en génie civil, Structures de support comme les éoliennes offshore, des ponts, et des immeubles de grande hauteur. Leur capacité à transférer des charges lourdes vers plus profondément, Les couches de sol ou le fondement des sols les rendent indispensables dans des conditions géotechniques difficiles. Cette étude fournit une analyse approfondie des méthodes de construction - impact de conduite, pile vibratoire conduite, pressage hydraulique, et l'installation basée sur le forage - se concentrer sur leurs mécanismes techniques, équipement, interactions du sol, impacts environnementaux, et la rentabilité. À travers des comparaisons détaillées, études de cas, et modèles mathématiques, L'étude vise à guider les ingénieurs dans la sélection des méthodes optimales pour des exigences de projet spécifiques.

Les objectifs sont de:

• Analyser les aspects techniques et opérationnels de chaque méthode.
• Comparez les mesures de performance à l'aide de données quantitatives.
• Évaluer les compromis environnementaux et économiques.
• Mettre en évidence les innovations et les tendances futures de l'installation des piles.

2. Aperçu des méthodes de construction

Quatre méthodes principales sont utilisées pour installer des piles de tuyaux en acier de grand diamètre, chacun adapté à des types de sols spécifiques, échelles de projet, et les contraintes environnementales:

• Conduite de piles d'impact: Utilise des marteaux à haute énergie pour conduire des tas dans le sol, Idéal pour les sols denses.
• Pile vibratoire conduite: Emploie les forces oscillatoires pour réduire le frottement des sols, efficace dans les sédiments lâches.
• Pressage hydraulique: Applique une pression statique pour insérer des piles, minimisation du bruit et des vibrations.
• Installation basée sur le forage: Combine le pré-séris avec l'insertion de la pile, adapté aux sols durs ou rocheux.

Chaque méthode implique un équipement distinct, Vitesses d'installation, et des considérations géotechniques, nécessitant un examen détaillé de leur applicabilité.

3. Analyse détaillée de la construction ==(Méthode)

3.1 Conduite de piles d'impact

3.1.1 Mécanisme et équipement

Impact Pile Driving fournit des coups à haute énergie à la tête de pile à l'aide de marteaux diesel ou hydrauliques. L'énergie cinétique du marteau surmonte la résistance au sol, conduire la pile jusqu'à la profondeur souhaitée. L'équipement commun comprend:

• Marteaux diesel: Livrer 50 à 200 kJ par coup, adapté aux piles jusqu'à 3 m de diamètre.
• Marteaux hydrauliques: Offrir un contrôle précis avec les énergies jusqu'à 500 KJ, Idéal pour les applications offshore.

L'efficacité de conduite est régie par la formule Hiley:

P = (W_h * h * ou) / (s + c / 2)

Où:

• P = capacité de pile ultime (KN)
• W_h = poids de marteau (KN)
• H = hauteur de chute (m)
• η = efficacité du marteau (0.7–0.9)
• S = ensemble permanent par coup (m)
• C = compression temporaire (m)

3.1.2 Interaction du sol

La conduite d'impact est plus efficace en dense, sols cohérents (p. ex., argile avec cohésion > 50 kpa) ou des sols granulaires avec des angles de frottement élevés (>30°). Il se débat dans des sols très doux (p. ex., limon avec une résistance au cisaillement non drainée < 20 kpa) en raison d'une résistance insuffisante et en couches rocheuses en raison de dommages potentiels.

3.1.3 Avantages

• Taux de pénétration élevé (0.5–1 m / moi) dans des sols appropriés.
• Robuste, Équipement largement disponible avec des décennies d'utilisation éprouvée.
• Rangeant pour les projets à grande échelle ($50–100 / m).

3.1.4 Défis

• Niveaux de bruit élevés (>100 db à 10 m), dépasser les limites urbaines (p. ex., 85 DB dans les réglementations de l'UE).
• Vibrations (vitesse de particules maximale > 10 mm / s) Risque endommageant les structures voisines.
• Les dommages causés par la tête dans les sols durs nécessitent des bouchons de protection.

3.1.5 Applications

Utilisé dans les fondations du pont, plateformes offshore, et installations industrielles où des charges axiales élevées (p. ex., 10–20 MN) sont requis. Exemple: Hong Kong-Zhuhai-Macao pont utilisé 2.5 m Piles conduits avec 300 KJ Hammers.

3.2 Pile vibratoire conduite

3.2.1 Mécanisme et équipement

Les marteaux vibratoires génèrent des oscillations à haute fréquence (10–30 Hz) Pour réduire le frottement du sol, Permettre à la pile de couler sous son poids ou sa pression légère. L'équipement comprend:

• Vibrateurs de poids excentriques: Produire 100 à 500 kN de force centrifuge.
• Vibrateurs hydrauliques: Offrir une fréquence variable pour le réglage spécifique du sol.

Le taux de pénétration dépend de la force dynamique:

F_d = m * e * Ω

Où:

• F_d = force dynamique (KN)
• M = masse excentrique (kg)
• E = excentricité (m)
• ω = fréquence angulaire (rad / s)

3.2.2 Interaction du sol

Efficace en lâche, sols granulaires (p. ex., Sable avec une densité relative < 50%) où la friction est réduite par la liquéfaction induite par les vibrations. Ineffective dans les argiles ou les graviers denses en raison d'une forte résistance au cisaillement.

3.2.3 Avantages

• Installation rapide (1–2 m / moi) dans les sols lâches.
• Bruit modéré (80–90 dB), CONDUITE IMPACT.
• Coût en capital inférieur ($40–80 / m) Pour des conditions appropriées.

3.2.4 Défis

• Pénétration limitée dans les sols cohésifs (p. ex., argile avec cohésion > 100 kpa).
• Potentiel de liquéfaction du sol, réduire la capacité latérale.
• Nécessite des tests de sol pour confirmer l'applicabilité.

3.2.5 Applications

Idéal pour les projets côtiers comme les ports et les brise-lames. Exemple: Palm Jumeirah de Dubaï a utilisé 1.5 M Piles installées avec 200 KN vibratoires marteaux.

3.3 Pressage hydraulique

3.3.1 Mécanisme et équipement

Les prises hydrauliques appliquent une pression statique (jusqu'à 10 MN) pour pousser des piles dans le sol, souvent en utilisant des tas de réaction ou des ancres pour contre-force. L'équipement comprend:

• Machines pressantes: Capacité de 500 à 2000 tonnes.
• Systèmes de réaction: Cadres en acier ou piles adjacentes pour la stabilité.

La force pressante doit dépasser la résistance au sol:

F_p > Q_S + Q_B

Où:

• F_p = force de pressage (KN)
• Q_s = résistance à la frottement cutané (KN)
• Q_b = résistance de base (KN)

3.3.2 Interaction du sol

Polyvalent entre les types de sols, fourni une force de réaction suffisante est disponible. Meilleur pour les sols de densité moyenne (p. ex., limon avec SPT n-valeur 10–30).

3.3.3 Avantages

• Bruit bas (<70 db), conforme aux réglementations urbaines.
• Vibration minimale, Protéger les structures voisines.
• Haute précision dans l'alignement des piles (± 10 mm).

3.3.4 Défis

• Installation lente (0.1–0,3 m / moi), Augmentation des coûts de main-d'œuvre.
• Coûts d'équipement élevés ($100–150 / m).
• Configuration complexe pour les systèmes de réaction.

3.3.5 Applications

Convient aux projets urbains comme les stations de métro et les fondations de grande hauteur. Exemple: Tour Shanghai utilisée 2 m Piles pressées 1500 tonnes.

3.4 Installation basée sur le forage

3.4.1 Mécanisme et équipement

Le pré-séris réduit la résistance au sol, suivi d'une insertion de pile et d'un jointoiement en option. L'équipement comprend:

• Forets rotatifs: Diamètres jusqu'à 4 m, avec couple > 300 Knm.
• Systèmes de coulis: Injecter du suspension de ciment pour une liaison améliorée.

La capacité de la pile est améliorée par le jointoiement:

Q_u = q_s + Q_B + Q_g

Où:

• Q_u = capacité ultime (KN)
• Q_G = résistance à la liaison coulis-sol (KN)

3.4.2 Interaction du sol

Efficace dans les sols durs (p. ex., Rock avec UCS > 50 Mpa) ou couches en couches. Le coulis améliore la friction de la peau de 20 à 50%.

3.4.3 Avantages

• Polyvalent pour une géologique complexe.
• Capacité de charge élevée avec coulis (jusqu'à 30 MN).
• Réduction des dommages aux piles dans les couches rocheuses.

3.4.4 Défis

• Coûts élevés ($120–200 / m) En raison du forage et du jointoiement.
• Installation lente (0.2–0,5 m / i).
• L'élimination des déchets de forage ajoute des préoccupations environnementales.

3.4.5 Applications

Utilisé dans les parcs éoliens offshore et les fondations profondes. Exemple: Parc éolien dogger bancaire utilisé 3 M PILES AVEC INSTALLATION RECORDE ET COUPE.

4. Analyse comparative

Le tableau suivant compare les méthodes à travers la technique, économique, et paramètres environnementaux:

Analyse:

• Conduite d’impact: Corparement et robuste mais inadapté pour les zones urbaines ou écologiquement sensibles en raison du bruit et des vibrations. Meilleur pour les projets priorisant la vitesse et le budget.
• Conduite vibratoire: Méthode la plus rapide dans les sols lâches, Avec un impact environnemental modéré. Limité par le type de sol, nécessitant des enquêtes géotechniques pré-site.
• Pressage hydraulique: Idéal pour les projets urbains sensibles au bruit, offrant une précision mais à des coûts plus élevés et des vitesses plus lentes. La logistique du système de réaction peut retarder la configuration.
• Au forage: Le plus polyvalent pour les sols durs, Avec une capacité de charge élevée. Les coûts élevés et les défis de gestion des déchets limitent son utilisation aux projets spécialisés.

5. Études de cas et comparaison des données

5.1 Étude de cas 1: Dogger Bank Offshore Wind Farm (mer du Nord)

Aperçu du projet: Installation de 3 m diamètre se cache dans un fond marin dur (grès, UCS ~ 60 MPa). L'installation à base de forage a été choisie en raison de la résistance au sol.

Détails:

• Équipement: Bauer BG50 Rotary Drill, 400 couple knm.
• Profondeur: 40 m par pile.
• Temps: 12 heures par pile (0.3 m / mon).
• Coût: $180/m, y compris le jointoiement.
• Défis: Le forage d'élimination des déchets nécessitait des barges offshore.

Résultat: Réalisé 25 Capacité MN par pile, Répondre aux exigences de conception. La conduite vibratoire a été testée mais a échoué en raison des taux de refus élevés.

5.2 Étude de cas 2: Fondation de la tour Shanghai (Chine)

Aperçu du projet: Installation de 2 m diamètre empiles dans une zone urbaine dense avec de l'argile douce (Cu ~ 30 kPa). Le pressage hydraulique a été sélectionné pour un faible bruit.

Détails:

• Équipement: Flèches silencieuses, 1200-capacité de tonne.
• Profondeur: 50 m par pile.
• Temps: 15 heures par pile (0.2 m / mon).
• Coût: $130/m.
• Défis: Configuration de la pile de réaction retardée de 2 Jours.

Résultat: Niveaux de bruit en dessous 65 db, conforme aux limites urbaines. Réalisé 15 Capacité MN.

5.3 Étude de cas 3: Extension du port de Dubaï

Aperçu du projet: Installation de 1.8 m diamètre piles dans du sable lâche (densité relative ~ 40%). La conduite vibratoire a été utilisée pour la vitesse.

Détails:

• Équipement: GLACE 416 marteau vibratoire, 300 force.
• Profondeur: 30 m par pile.
• Temps: 4 heures par pile (1.5 m / mon).
• Coût: $60/m.
• Défis: La liquéfaction temporaire a réduit la capacité latérale par 10%.

Résultat: L'installation rapide a respecté les délais serrés du projet. Capacité 10 MN suffisant pour les charges de port.

5.4 Données comparatives

Analyse: Les méthodes basées sur le forage excellent dans les sols durs mais sont coûteux et lents. Ballon de pressage hydraulique et conformité environnementale en milieu urbain. La conduite vibratoire est la plus rapide et la moins chère mais limitée aux sols lâches avec des besoins à capacité modérée.

6. Défis et innovations

6.1 Défis

• Variabilité géologique: Couches imprévisibles (p. ex., rochers dans le sable) peut arrêter la conduite ou nécessiter des changements de méthode.
• Règlements environnementaux: Limites de bruit plus strictes (p. ex., 85 db dans l'UE) et les protections des mammifères marins défient l'impact de la conduite.
• Gestion des coûts: Équilibrage de la location d'équipement, travail, et les coûts matériels sont essentiels pour la rentabilité.
• Dommage à la pile: Les sols durs peuvent provoquer un flambement ou une fissuration, nécessitant des réparations coûteuses.

6.2 Innovations

• Atténuation du bruit: Les rideaux à bulles réduisent le bruit sous-marin de 10 à 20 dB pour une conduite en effet offshore.
• Surveillance automatisée: Les capteurs suivent l'alignement des piles et la résistance au sol en temps réel, Amélioration de la précision par 15%.
• Méthodes hybrides: La combinaison de vibratoires et de forage réduit le temps d'installation par 20% dans les sols mixtes.
• Matériaux écologiques: Les piles composites avec de l'acier recyclé réduisent l'empreinte carbone par 10%.

7. Modélisation mathématique

Pour quantifier la sélection de la méthode, Un modèle de décision peut être utilisé:

S = W_1 * C + w_2 * t + w_3 * e + w_4 * l

Où:

• S = score d'adéquation
• C = coût ($/m, normalisé)
• T = temps d'installation (m / mon, normalisé)
• E = impact environnemental (bruit / vibration, normalisé)
• L = capacité de chargement (MN, normalisé)
• w_i = facteurs de pondération (p. ex., 0.3, 0.2, 0.3, 0.2)

Exemple: Pour un 2 m pile dans l'argile, La pressage hydraulique peut marquer plus élevé en raison du faible E, Malgré plus C.