FONDATIONS SUR TERRAINS ACCESSIBLES PAR L'EMPLOI DE L'AIR COMPRIMÉ

Anciens appareils employés pour travaux sous l'eau : Gloclie à plongeur; perfectionoemeois proposés par Denis Papin, Halley, le D' Payerne, Hallett et WilliamsoQ. — Bateau à air de Coulomb ; bateau à air de la Gournorie. — Puits creusés, en 1846, à l'aide de Tair comprimé, par M. Triger, ingénieur

civil des mines. —Appareil théorique pour l'exécution de travaux sous Teau au moyen de Tair comprimé ; dispositions diverses adoptées dans la pratique. — Fondations tubulaires : Ponts de Rochester et de Saltasch, en Angleterre ; Pont de Szegedin, en Hongrie ; description des appareils employés ; moyeos spéciaux pour accélérer le fonçage ; déviation des tubes ; moyens de les redresser ; composition des équipes ; battage de pieux dans les colonnes ; remplissage en béton ; résultats obtenus ; durée des travaux; dépenses. — Pont de Kehl, sur le Rbin ; fondations sur caissons ; dimensions ; maçonneries utilisées comme surcharge ; détails d'exécution ; durée des travaux ; dépenses.— Pont d'Argenteuil, sur la Seine ; tubes employés ; origine des chambres de travail en maçonnerie ; dépenses. — Pont d^Orival> sur la Seine. <— Pont de la Youlte, sur le Rhéne. — Pont sur le Scorl', à Lorient. — Ponts de Bordeaux, de Nantes, de Chalonnes, de Màcon, de Moulins. '^ Ponts de StetUn et de Dusseldoi-f. — Pont de Homsdorf, sur l'Elbe ; chambres de travail en maçonnerie sur rouets métalliques ; diverses formes des chambres ; détails d'exécution ; résultats obtenus. — Pont de Marmande, sur la Garonne ; chambres de travail en maçonnerie ; suppression de l'enveloppe métallique ; économie réalisée ; analyse des dépenses ; accidents ; réparation des avaries ; remphsaage des chambres de travail ; résumé et comparaison des diverses dispositions adoptées. — Pont de Brooklyn^ aux États-Unis ; dimensions des fondations ; chambres de travail en charpente ; détails de construction ; fonctionnement des appareils ; accidents ; remplissage de la chambre de travail ; dépenses. — Pont de Saint-Louis, sur le Mississipi ; dispositions spéciales du sas à air ; durée des travaux ; dépenses. — Dispositions à prendre dans Tintérôt de la santé des ouvriers travaillant & l'air comprimé* — Résumé. Application de l'air comprimé aux fondations de peu de profondeur. — Caiuonbatardeau divisible et mobile : Pont du Garrit, sur la Dordogne ; description du caisson-batardeau ; mise en place et fonctionnement de l'appareil ; résultats obtenus et dépenses. — Conclusion.

Od ne connaissait autrefois qu'un seul appareil permettant à un ouvrier de descendre au besoin sous l*eau et d*y séjourner un peu de temps, c'est la cloche à plongeur. L'origine en est fort ancienne puisqu'elle parait avoir été déjà en usage du temps d'Aristote, près de quatre siècles avant notre ère; mais, jusqu'au siècle dernier, les dispositions en étaient restées des plus défectueuses, même dans les pays oix elle était le plus employée, comme en Hollande et en Angleterre. L'air contenu sous la cloche ne se renouvelait pas, il cessait rapidement d'être respirable et la durée de chaque immersion, toujours très courte, ne pouvait, dans aucun cas, dépasser une demi-heure au plus. En outre, lorsque la profondeur était considérable, l'air comprimé sous la cloche diminuait de volume en proportion et l'eau remontait parfois jusqu'aux épaules du plongeur.

Une semblable machine pouvait bien rendre quelques services dans certaines circonstances spéciales, mais elle ne

I IV — FONDATIONS A L'AIR COMPRIMÉ 2il

comportait que des applications très restreintes et n'aurait probablement jamais pu être utilisée pour rexëcution de travaux de quelque importance.

Cependant, dès 1690 S Denis Papin^ l'inventeur de la ma« chine à vapeur, avait proposé d*y apporter un perfectionnement considérable tendant à assurer le renouvellement constant de Tair et à maintenir la cloche entièrement vide d'eau. Papin comptait, il est vrai, faire usage pour cela de tuyaux et de forts soufflets de cuir munis de soupapes dont l'emploi eût peut-être été peu pratique ; mais, ce qui montre bien qu'il avait entrevu le parti qu'on pourrait tirer de l'air comprimé, c'est qu'après avoir décrit son appareil il ajoutait : « Les ou- « vriers pourront y séjourner aussi longtemps qu'ils voua dront, avoir du feu et de la chandelle La cloche dece meurant toujours vide et la faisant appuyer tout à fait à « terre, le fond de l'ean, en cet endroit, demeurerait presque « à sec et on pourrait y travailler de même que hors de l'eau « et je ne doute pas que cela ne pût épargner beaucoup de « dépense quand on veut bâtir sous Veau. »

Cependant cette idée parait être passée inaperçue, puisque 26 ans plus tard, en 1716, on considéra comme une invention nouvelle l'emploi fait par Halley en Angleterre de barils pleins d'air qu'on chargeait d'un lest suffisant pour les maintenir au fond de Teau, près de la cloche, et à l'aide desquels le plongeur pouvait renouveler en partie l'air contenu sons celle-ci, de façon à prolonger la durée de son travail. Des tuyaux de cuir munis de robinets mettaient les barils eu communication avec l'intérieur de la cloche, et celle-ci, à l'aide d'une soupape disposée a la partie supérieure, pouvait être vidée d'une partie de l'air déjà vicié qu'elle contenait avant d'y laisser arriver l'air frais fourni par les barils. Tout cela devait être en somme d'un fonctionnement assez incommode.

C'est seulement en 1788, près d'un siècle après Papin, que Smeaton substitua des pompes foulantes aux barils pour le

1. Rapport de la commission chargée d'examiner un mémoire de M. Triger, etc. Annales des ponts et chaussées, 1867, 2« semestre (n* 159).

m CHAPITRE II — FONDATIONS

renouvellement de Tair, et que la cloche à plongeur pût devenir enfin réellement pratique.

Elle est toujours restée toutefois, au point de vue des travaux de fondation, un engin trop accessoire et trop peu employé, surtout depuis l'invention du scaphandre, pour que nous nous arrêtions à la décrire, non plus que certains appa-< reils basés sur le même principe, comme la cloche du docteur Payeme en Angleterre (1842), et le Nautilus des Américains Hallett et WilÛamson (i8S6).

En fait, après Denis Papin, c'est par Coulomb que Tidée d'utiliser Tair comprimé pour l'exécution de travaux sousmarins parait avoir été émise pour la première fois. On en trouve la preuve dans Fun de ses mémoires, approuvé par l'Académie des. sciences en 1770, contenant la description d'un appareil qu'il désignait sous le nom de bateau à air et dont, à titre d'ingénieur chargé du service de la navigation de la Basse-Seine, il proposait l'emploi pour l'extraction de rochers dans le chenal de la rivière, à l'aval de Quillebeuf.'

C'était un véritable bateau, mais disposé avec un compar-» timent central, en forme de cloche ouverte par le bas et pouvant, à l'aide d'un lest variable à volonté, être échoué sur l'emplacement où l'on se proposait de travailler. L'appareil étant dans cette situation, on envoyait de l'air comprimé dans le compartiment central, pour en chasser l'eau qu'il contenait, puis on y introduisait les ouvriers et ceux-ci se trouvaient ainsi à même d'exécuter à sec le travail projeté.

Tel qu'il est décrit dans le mémoire de 1779, l'appareil de Coulomb, qui ne parait du reste avoir jamais été construit, n'aurait peut-être pas été très pratique ; mais cette même idée, reprise en 1844 d'après uh programme à peu près identique par M. de la Gournerie, alors ingénieur ordinaire des ponts et chaussées, à l'occasion de l'extraction de roches sousmarines à l'entrée du port du Croisic, a donné lieu à la construction d'un nouveau bateau à air dont l'emploi a parfaitement répondu à ce qu'on en attendait.

Le prix du mètre cube de déblais de rocher, exécuté sous l'eau, qui s'élevait précédemment à 206 francs, a pu en effet,

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par remploi de ce nouvel engin, descendre à 29 francs, soit une réduction dans le rapport de 9 à i .

En 1846, pendant que l'entretien du port du Croisic était dans nos attributions, nous nous souvenons d'avoir assisté aux premiers essais de ce bateau à air, et constaté par nousmême les excellentes conditions dans lesquelles les ouvriers se trouvaient placés pour travailler à sec, par des profondeurs d'eau qui ne dépassaient pas il est vrai 2 à 3 mètres au-des« sous des basses-mers.

Un mémoire inséré dans les Annales des ponts et chaussées contient la description complète de Tappareil et le détail de tous les calculs relatifs à son établissement ^ Il ne parait pas avoir eu d'autre application % et cependant il semble que dans certaines circonstances, comme par exemple pour la fondation d'une pile de pont sur un fond de rocher ou autre terrain incompressible, par des profondeurs d'eau ne dépassant pas 4 à 5 mètres, on aurait pu tirer un très utile parti du bateau à iàar pour déraser le sol, préparer l'emplacement delapile, établir les deux ou trois premières assises de celle-ci et tout disposer, en y travaillant à S6c, pour faciliter la construction du batârdeau nécessaire pour Texécution des assises suivantes.

• • Mais du reste, antérieurement à 1846, la véritable invention des appareils à air comprimé permettant d'exécuter des travaux de fondation sous de grandes hauteurs d'eau avait déjà pris naissance, à l'occasion de l'établissement d'un puits à travers des terrains aquifères de la vallée de la Loire pour Texploitation des mines de Chalonnes.

M. Triger, ingénieur civil des mines, chargé de ce travail, conçut ridée d'y employer un tube de tôle, de 1^,08 de diamètre, destiné à s'enfoncer dans le terrain à mesure qu'on

i. kwM\u de 1848, !•' semestre (no 195).

2« U existe encore actueliement, à Brest, pour le service d'entretien du port, un appareil qu'on désigne sous le nom de cloche à plongeur; mais qui, par ses dispositions et par ses dimensions (8m de largeur sur 10*^ de lon- ^eur et 7» de hauteur), se rapproche beaucoup plus du bateau A air que de ia doeh» à plongeur proprement dite* On l*emploie au dérasement de roches sous-marines.

déblayerait par le bas ; pour pouvoir continuer le déblai à la rencontre d'une couche de sables aquifères de 20°* d'épaisseur, qu'il fallait traverser avant d'atteindre le rocher, il eût recours à l'air comprimé au moyen duquel il chassait à l'extérieur l'eau tendant à s'introduire dans le tube. Celui-ci était à cet effet fermé & la partie supérieure et muni d'une véritable écluse ou sas à air servant soit au passage des ouvriers, soit à l'enlèvement du déblai.

Le puits fût descendu de cetlc façon avec un plein succès jusqu'au rocher situé au-dessous de la couche de sable, puis continué jusqu'à 300 mètres de profondeur.

Un peu plus tard, en 1845, un second puits fût exécuté de la même manière et avec le même succès par M. Triger, également pour les mines de Chalonnes, en y employant un tube de l'",80 de diamètre.

Il y avait, dans ces deux premières applications de l'air comprimé, tous les éléments de celles faites depuis, si nombreuses, aux travaux de fondation d'ouvrages qu'on aurait peut-être été fort en peine d'exécuter de toute autre manière,

et cette invention est assurément l'une des plus importantes et des plus fécondes qui se soient produites, dans le courant de ce siècle, en matière de construction des grands ouvrages d'art.

Théoriquement, un appareil à air comprimé, disposé pour travaux de fondation sous l'eau, doit comprendre les diverses parties indiquées sur notre croquis linéaire en marge :

abcd est une chambre construite, comme toutes les autres parties de l'appareil, de façon à être parfaitement étanche. Elle est fermée par le haut, ouverte par le bas, et ses dimensions sont suffisantes pour qne des ouvriers puissent s'y tenir et y travailler.

I IV — FONDATIOiNS A VÛR COMPRIME 215

On la nomme chambre de travail.

efgh est un tube ou cheminée généralement en tôle^ fixé sur le plafond de la chambre de travail et dont Torifice supérieur doit toujours émerger au-dessus de la surface de Teau à Textérieur, au niveau des échafaudages servant à la manœuvre de lappareil. Celui-ci étant descendu sur le fond, comme le croquis le représente, Teau envahit naturellement la chambi*e de travail et la cheminée, jusqu'au niveau extérieur s41 y a une communication entre le tube et Tatmosphëre. Il s'agit de l'en chasser pour mettre le fond à découvert.

A cet effet, Textrémîté supérieure eh de la cheminée est hermétiquement fei*mée, et à Taide de machines et de pompes soufflantes on envoie dans Tappareil de Tair comprimé, à tension suffisante pour dépasser la pression exercée par Teau au I iveaii de la base inférieure bc.

L'eau est refoulée tout autour de cet orifice inférieur, et lappai^eil entièrement vidé ne contient plus que de Tair.

Il s'agit alors d'y introduire des ouvriers sans que l'air comprimé puisse s'échapper. Pour cela on dispose sur un point du tube vertical, soit dans le haut, soit dans le bas, un compartiment ou sas, esth ou e'fgh' entièrement fermé et muni de deux portes, m et w, permettant : Tune, w, d'y accéder de l'extérieur ; la seconde, n, de passer de ce compartiment dans l'autre partie du tube.

Les deux portes étant exactement closes et les ouvriers en^ fermés dans le compartiment esth^ qu'on désigne sous le nom de chambre d'équilibre ou de sas à air, on introduit dans celui-ci de Tair comprimé dont la tension doit égaler celle de l'air contenu dans le reste de l'appareil ; dès que l'équilibre est atteint la porte n est ouverte et les ouvriers, èi l'aide d'une échelle ou d'une benne, peuvent descendre sur le fond et y commencer le déblai.

Les matériaux provenant de ce travail sont remontés dans le sas à air et évacués à l'extérieur par une série de manœuvres inverses de celle décrite pour l'introduction des ouvriers. Â mesure que le déblai avance, tout l'appareil descend graduellement jusqu'à ce qu'on parvienne à la couche inférieure de terrain sur laquelle on doit asseoir les fondations.

Mais lorsqu'on introduit Tair comprimé dans la chambre de travail, il en résulte une pression agissant de bas en haut sur le plafond, équivalente à celle d'une colonne d'eau ayai t pour base la section de l'appareil en be et une hauteur égale à celle comprise depuis cette base jusqu'au niveau de l'eau à rextérieur.

Cette force, généralement fort grande, tend à soulever tout Tappareil; pour en prévenir Teffet et faire que la chambre, par un excédant de poids, puisse descendre à mesure de l'avancement du déblai, il faut la charger de poids additionnels suffisants.

D'un autre côté, il arrive parfois que dans les couches de terrain à déblayer, poar atteindre le sol de fondation, il s'en trouve d'assez compactes et d'assez imperméables pour ne pas se laisser traverser par l'eau chassée de l'intérieur à l'extérieur de l'appareil, et il faut alors trouver le moyen d'assurer autrement l'évacuation de cette eau et celle de l'air que les pompes doivent renouveler.

De là, dans la pratique, des dispositions assez diverses pour les appareils adoptés, suivant la nature spéciale des terrains à traverser^ les matériaux dont on dispose, les profondeurs à atteindre et les préoccupations plus ou moins obligées d'économie d'aprës lesquelles se sont guidés les ingénieurs.

Le mieux, pour bien faire connaître ces différentes solutions du même problème, est d'exposer ce qui a été fait à l'occasion de la construction des principaux ouvrages d'art auxquels elles ont été appliquées.

Dans le principe on a simplement imité le procédé de M. Triger pour la construction de ses puits de mines, et c'est à l'aide de tubes en fonte ou en tôle descendus jusqu'à la profondeur nécessaire qu'on a exécuté les fondations d'un certain nombre de ponts.

C'est ainsi qu'en Angleterre par exemple, pour le pont de Rochester *, construit en 1851, chaque pile repose sur 14 tubes en fonte de 2"^ 10 de diamètre, dont la distance, d'axe en

1. Collection des dessins distribués aux élèves des Ponts et Chaussées; 3® série, section D, planche 2 (pafi^ 138 du texte).

axe, varie de 8*7S à 3"* 08. Le sas à air était disposé à la partie supérieure des tubes et n'avait que 1*" 90 de hauteur sur 0,78 de diamètre, soit une capacité de 890 décimètres cubes seulement, ce qui était fax trop faible. Gomme surcharge destinée à assurer la descente des tubes, à mesure de l'avancenient du déblai, on avait employé des poutres armées fixées au sommet de chaque tube, portant h leurs extrémités des contrepoids qui se mouvaient dans des tubes latéraux et dont laction était réglée à Taide de vérins.

Les tubes étaient composés d'anneaux de 9^ 748 de hauteur, boulonnés les uns sur les autres à Taide de brides intérieures. Une plaque de tôle fixée sur le dernier anneau fermait la partie supérieure et portait l'appareil pneumatique, c'est-àdire recluse ou sas à air.

Lorsqu'ils étaient parvenus k la profondeur qu'on voulait atteindre, les tubes devenaient de véritables cloches à plongeur permettant aux ouvriers d'exécuter à sec, en maçonnerie, le remplissage intérieur.

Dès que la hauteur de co remplissage était suffisante pour qu'on n'eût plus à eraindre l'introduction de l'eau par le bas, on enlevait les fermetures supérieures et le travail était continué à l'air libre.

De même pour le pont de Saltasth construit également en Angleterre, de 1854 à 18S8, par Brunel,8ur le Tamar à A kilo^ niStres environ h l'amont de Plymouth^ les dispositions adopr tées ont eu pour but d'exécuter les maçonneries de fondation à sec, bTintérieur d'un tube ou plutAt d'un caisson métallique utilisé à la façon d'un batardeau, si ce n'est que les épuisements étaient faits à l'aide de l'air comprimé. *

Les difâAQltés h vaincre étaient d'ailleurs considérables, puisqu'il s'agissait de fonder en rivière une pile sur laquelle devaient s'appoyar des travées métalliques de i38<»77 de por<» lée, établies à 30" 80 de hauteur au-dessus d^s hautes mers, tandis qw le bane de rocher choisi pour sol de fondation se trouvait à 25 mètres en contre-bas de ce même niveau et était recouvert d'une couche de vase de 8* 20 d'épaisseur.

{ • Collection des d§gpins distribués aux éleva» des Ponts et Chaasséesi 4* série, section C, page 295 du texte et planches 8 el 9.

lé

Ce que se proposait Brunel, c*était d'établir, en y employant l'air comprimé, un batardeau en maçonnerie à Tintérieur d'un caisson en tôle, et de construire ensuite la pile à Tair libre, àTabri de ce batardeau.

Le caisson se composait de deux cylindres superposés, ayant : le premier, dans le bas, 10^67 de diamètre sur 9"* de hauteur, le second, pardessus, 11°* 29 de diamètre et 17" de hauteur ; soit une hauteur totale de 26 mètres et une capacité d'environ 2.500 mètres cubes.

Pour n'avoir pas à comprimer lair dans un aussi vaste espace, la partie inférieure était à double paroi, avec intervalle de 1"'22 de Tune à l'autre, et la chambre annulaire ainsi formée était divisée en 21 compartiments égaux par des cloisons convergeant vers le centre.

Une coupole, également en tôle, fermait ces compartiments par le haut, et on avait ainsi 21 chambres distinctes d'environ l^'GO sur 1"22 en plan, sur 7"" de hauteur, qu'on pouvait mettre successivement et séparément en communication avec les réservoirs d'air comprimé.

Au*dessous de la coupole, et solidement fixés sur celle-ci, s'élevaient deux tubes verticaux contenus l'un dans l'autre, ayant, le plus grand 3"048, l'autre 1"*80S de diamètre, et destinés au passage des ouvriers et des matériaux. Des sas à air étaient disposés, à cet effet, à leur partie supérieure et des portes en nombre nécessaire permettaient l'accès de chacun des compartiments de la circonférence du caisson.

Le dessin suivant achèvera de faire comprendre cette description sommaire.

Le rocher sur lequel le caisson devait être descendu étant assez fortement incliné, on avait eu soin, d'après les cotes données par les sondages, de découper le bord inférieur de la tôle de façon qu'il pût venir s'appliquer exactement sur le sol de fondation, opération fort délicate et difficile dont le succès complet était à peu près impossible, comme l'événement l'a démontré.

Après avoir amené cette énorme machine, à l'aide de plusieurs pontons, sur l'emplacement qu'elle devait occuper, l'avoir laissée descendre sur le fond et s'engager dans la vase.

on procéda au déblai à Taide do Tair comprimé, dans tous les compartiments de la circonférence, et le rocher fut atteint ; mais à ce moment, malgré la précaution prise d'en découper le bord inférieur, le caisson présentait un surplomb de 4™,25 sur Tun de ses côtés et il fallût déraser le sol rocheux pour rétablir à grand'peine la verticalité de la colonne.

Ce dernier résultat obtenu, on procéda au remplissage des compartements, en maçonnerie de granit et mortier de ciment, pour constituer la paroi du batardeau projeté; puis on déblaya la chambre centrale et on y exécuta également un remplissage en maçonnerie sur 5 mètres d'épaisseur.

On avait pensé, à ce moment, pouvoir suspendre Temploi de Tair comprimé pour continuer la construction de la pile à Tair libre, avec épuisement s'il y avait lieu ; mais le batardeau, maçonné comme nous venons de le dire, se trouva insuffisant, tout fût disloqué et il falhit reprendre le travail à Tair comprimé pour parvenir, à grands frais et avec des peines infinies, à terminer la fondation.

La pile a été du reste délinitivement établie comme on l'avait prévu, mais les travaux ont duré quatre années, de I8l)i à 1858, et les dépenses, dont les ingénieurs anglais n'ont jamais communiqué le détail, ont dû atteindre un total fort élevé.

Le fait le plus intéressant à retenir de ce qui précède, c'ept qu'un batardeau maçonné avec paroi de 1", 22, soutenu par une forte armature en tôle et un radier de S mètres d'épaisseur, a été hors d'état dé résister à une pression d'eau d'environ 34 mètres de hauteur agissant de l'extérieur vers l'intérieur.

Des deux grands tubes superposés, celui de la partie supérieure, sur 17 mètres de hauteur, permettait, à cause de son diamètre augmenté, de dresser le parement de la maçonnerie de granit à une certaine distance de la paroi métallique, et, la pile terminée, Tenveloppe en tôle a pu être enlevée. L'assemblage des deux tubes l'un sur l'autre avait été disposé pour faciliter ce démontage. L'enveloppe inférieure est restée au contraire en place, engagée dans la fondation et faisant nécessai- , rement partie de celle-ci.

Pendant qu'on exécutait le pont de Saltash en Angleterre,

g IV — FONDATIONS A L'AIR COMPRIMÉ

PONT DE SZEGEDIN tur la Theia» (Hongrie;

Exi'-culiun des fondalioris.

M. Cézanne, ing;éQieur des Ponla et Chaussées, coalruisait en Hongrie, sur la Theiss.pour lo service des chemins de fer aulrichiens, le pont de Szegedin, en y appliquant l'air comprimé, dans des conditions beaucoup plus économiques qu'on ne l'avait fait avant lui.

Le dessin ci-conire, emprunté &a\ÀnnaiesdesPonls et Chaussées, ' permettra de se rendre compte des dispositions particulières de celle application.

Sur le point oii le pont a été construit, la rivière a 225 mètres de largeur et coule sur un lit de sable mélangé d'argile dont la profondeur est presque illimitée. Bien qu'il soit extrêmement alFouillable. ce fond offre une consistance suffisante pour y asseoir des fondations, pourvu que celles-ci soient parfaitement protégées. Lahautour moyenne des eaux est de 5'',449 au-dessus de l'étiage et de S'jIjO au-dessus des points les plus bas du profil en travers du lit.

C'est encore le système tubulaire qui a été adopté pour l'exécution des fondations. Les tubes,cyliudriqucs.sonl en fonte, leur diamètre est de 3 mètres, et on lésa composés d'anneaux

Coupe verticale d'un tube.