DETECTCAV_decrypted

ISSN 1151-1516

techniques et mthodesdes laboratoires des ponts et chausses

Guide technique

Dtection de cavits souterraines par mthodes gophysiques


Guide technique

Octobre 2004

Laboratoire Central des Ponts et Chausses 58, bd Lefebvre, F 75732 Paris Cedex 15

Ce document a t labor dans le cadre du Projet National CriTerre. Il a galement bnfici dapports issus du thme LCPC Carrires Souterraines Abandonnes Il a t rdig par : Cyrille Fauchard, rdacteur (LRPC de Rouen), Pierre Pothrat, co-rdacteur (Chapitres I et III), (CETE de Lyon), sous la direction de : Philippe Cte (LCPC), Marcel Mudet (SNCF). Les auteurs et encadrants remercient pour leur contribution et relecture : Allombert Patrice (SAFEGE), Andrieu Pierre (Universit Pierre et Marie Curie, Paris VI), Baron Jean-Pierre (SAFEGE), Berche Vronique (LRPC de SaintQuentin), Bitri Adnand (BRGM Orlans), Boulanger Charles (CGG Massy), Bourgeois Bernard (BRG Orlans), Bouvier Antoine (Callige), Borne Viviane (Callige), Breysse Denis (Universit de Bordeaux I), Denis Alain (Universit de Bordeaux I), Flahaut Reynald (LRPC de SaintBrieuc), Garciaz Jean-Luc (LERM), Gurin Roger (Universit Pierre et Marie Curie Paris VI), Lagabrielle Richard (LCPC Nantes), Leparoux Donatienne (IPG Paris IV), Lonard Christelle (LCPC Paris), Le Tirant Pierre (IREX), Magnin Olivier (Terraseis), Mattiuzzo Jean-Luc (SEGG), Piwakowski Bogdan (ECP Lille), Tabbagh Alain (Universit Pierre et Marie Curie, Paris VI).

Pour commander cet ouvrage : Laboratoire Central des Ponts et Chausses IST-Diffusion des ditions 58, boulevard Lefebvre F-75732 PARIS CEDEX 15 Tlphone : 01 40 43 50 20 Tlcopie : 01 40 43 54 95 Internet : http:/www.lcpc.fr

Prix : 35 Euros HT En couverture : Profil radar pour dtection de cavits (Document LRPC de Saint-Brieuc). Effondrement de Bargemon - Cavit naturelle dans des gypses (Document LRPC de Lyon).

Ce document est proprit du Laboratoire Central des Ponts et Chausses et ne peut tre reproduit, mme partiellement, sans lautorisation de son directeur gnral (ou de ses reprsentants autoriss).

2004 - LCPC ISSN : 1151-1516 ISBN : 2-7208-0374-X

Sommaire

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Sommaire

AVANT-PROPOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 CHAPITRE 1. Contexte, dfinition des cavitssouterraines et reconnaissances prliminaires . . . . . . . . . . . . . . . 71. Contexte gnral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2. Les cavits souterraines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 3. Les reconnaissances prliminaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 4. Les reconnaissances gophysiques et gotechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

CHAPITRE 2. Synthse gnrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231. La mthodologie gnrale pour la recherche de cavits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2. Les mthodes gophysiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3. Les mthodes gophysiques en fonction du type de cavits . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4. Classement des mthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 5. Conclusion gnrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 6. Rsums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

CHAPITRE 3. Tldtection - Interprtation de clichs

ariens et thermographie infrarouge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451. Gnralits sur la tldtection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2. La photo-interprtation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3. La radiomtrie infrarouge thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

CHAPITRE 4. La microgravimtrie

............................

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1. Gnralits sur la microgravimtrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2. Mthodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3. Exemples de mesures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4. Modlisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

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CHAPITRE 5. Les mthodes sismiques

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77

1. Gnralits sur les mthodes sismiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77 2. La sismique rflexion haute rsolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78 3. La sismique rfraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90 4. La sismique en ondes de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94 5. Conclusion gnrale sur les mthodes sismiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .99

CHAPITRE 6. Les mthodes lectriques

en courant continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1011. Prsentation des mthodes lectriques en courant continu . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 2. Le panneau lectrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106

CHAPITRE 7. Les mthodes lectromagntiques

. . . . . . . . . . 117

1. Gnralits sur les mthodes lectromagntiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 2. Mthodes basse frquence en champ lointain : VLF et RMT . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 3. Mthodes basse frquence en champ proche (Slingram) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 4. Mthodes lectromagntiques haute frquence : le radar gologique . . . . . . . . . . 137 5. Conclusion gnrale sur les mthodes lectromagntiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

CHAPITRE 8. Les techniques gophysiques en forage

. . . . .149

1. Avant-propos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .149 2. Les forages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150 3. Les diagraphies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151 4. Les mthodes gophysiques en forage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158 5. Conclusion gnrale sur les diagraphies et les mthodes gophysiques en forage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .167

CONCLUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169

Avant-propos

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Avant-propos

a matrise des alas gotechniques constitue un enjeu des plus importants. L'objectif poursuivre consiste bien entendu minimiser non seulement les cots de construction mais galement ceux lis l'entretien et la maintenance du patrimoine du domaine gnie civil. Par ailleurs, la notion de scurit revt prsent une importance qui la place en toute premire priorit pour les acteurs du domaine. Le projet national de recherche et dveloppement CriTerre labellis par le Rseau Gnie Civil et Urbain (RGCU) , subventionn par l'tat (Direction de la Recherche et des Affaires Scientifiques et Techniques (DRAST) du ministre de l'quipement) et gr par l'Institut pour la Recherche Applique et l'Exprimentation en Gnie Civil (IREX) s'est donn pour ambition de susciter des travaux de recherche et dveloppement sur la thmatique Amlioration des Techniques d'Auscultation au sein de trois volets : Reconnaissance des anomalies physique des terrains. Dtection des pollutions des sols. Contrle de l'amlioration des sols. Le prsent guide s'inscrit dans le premier de ces volets. La problmatique dtection des cavits souterraines y est apparue comme un axe majeur. En particulier, la dtection de cavits au long de grandes infrastructures linaires rclame la dfinition de mthodologies adaptes. La mise en place de techniques de reconnaissance efficaces repose sur la mobilisation de comptences trs varies. Des tudes gologiques prliminaires permettent de dlimiter l'ala cavits naturelles ou anthropiques, des tudes historiques et l'analyse des archives prcdent les tudes gophysiques. Les conclusions de la phase reconnaissances non-destructives doivent tre valides par sondage. C'est la phase gophysique qu'est consacr cet ouvrage. En effet, suite une premire exploration de l'tat de l'art sur le sujet, un clair dficit d'ouvrage ou mme de doctrine rfrente en la matire est apparu. Les donneurs d'ordre se trouvent dmunis et confronts des techniques complexes la fois dans leurs attendus et leur mise en uvre. Les gophysiciens quant eux ne sont pas toujours rompus cet exercice particulier que constitue la dtection de cavits. Les ouvrages gnraux de gophysique de sub-surface se contentent la plupart du temps d'apporter un regard purement thorique cette problmatique, sans orienter ni le gophysicien ni le donneur d'ordre dans la mise en place de la campagne de reconnaissance.

L

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Ce guide a l'ambition d'une part d'clairer le donneur d'ordre vis--vis des potentialits de dtection au regard de la nature prsume des cavits concernes et d'autre part d'aider le gophysicien dans la mise en uvre pratique des techniques gophysiques diverses qui sont potentiellement mobilisables relativement aux cibles dsignes et leur environnement. Il s'articule autour d'une synthse gnrale qui dcrit la dmarche conduisant au choix des techniques convenables. Elle est prcde d'un chapitre dcrivant les cavits, leur contexte et la dmarche gnrale de reconnaissance. Enfin, la synthse gnrale est suivie des chapitres gophysiques qui exposent les principes, capacits, limites et mises en uvre pour chacune des mthodes. Il a principalement t rdig par M. Cyrille Fauchard sous l'encadrement de M. Marcel Mudet (SNCF) et M. Philippe Cte (LCPC). Le rdacteur s'est appuy pour chacune des disciplines et mthodes exposes dans l'ouvrage sur des experts des mondes acadmiques et industriels qui lui ont apport relecture et contributions. Les travaux de recherche issus de l'opration LCPC Carrires Souterraines Abandonnes (M. Pierre Pothrat) constituent galement l'une des sources importantes de cet ouvrage.Le Prsident du projet national Guy VERRIER Le Directeur scientifique et technique Franois SCHLOSSER

Chapitre 1. Contexte, dfinition des cavits souterraines et reconnaissances prliminaires

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Contexte, dfinition des cavits souterraines et reconnaissances prliminaires1. CONTEXTE GNRALLa construction d'infrastructures, d'ouvrages et de btiments en Gnie Civil s'inscrit dans une politique de prvention et de gestion des risques. Elle doit concilier des intrts humains, socioconomiques, politiques, financiers et environnementaux. Sa mise en uvre entrane une modification des paysages naturels ou urbains. Pour que sa prennit soit assure, elle doit tre accompagne avant, pendant et aprs sa ralisation d'tudes et de surveillances spcifiques. Dans ces conditions, pour l'ensemble des acteurs du Gnie Civil (Risques et Gnie Civil, 2000), l'apparition d'vnements indsirables reprsente un vritable danger dont il convient d'tudier la possibilit et la probabilit d'occurrence et d'envisager les consquences. Ces vnements indsirables peuvent tre en particulier des affaissements et des effondrements lis la prsence de cavits souterraines. Elles menacent alors la scurit des personnes et des biens situs leur l'aplomb, et ceci aussi bien en zones fortement urbanises et leurs priphries que sur les axes de communication. C'est pourquoi la prise en compte de cet ala est devenue depuis plusieurs dcennies une proccupation majeure des matres d'ouvrages et des matres d'uvre.

1.1 Les risques associs la prsence de cavitsDeux grandes catgories de risques peuvent tre distingues : les risques naturels et les risques anthropiques. Les premiers sont lis la gologie (volcanisme, sismes, tsunamis, mouvements de terrains, rosion littorale) et/ou la mtorologie (cyclones, avalanches, inondations). Les seconds sont lis l'activit humaine : ce sont principalement les risques technologiques lis aux ouvrages et aux infrastructures (centrales nuclaires, barrages, ponts, tunnels, etc.), les risques gnrs par l'extraction des matriaux (mines et carrires) et les risques lis aux pratiques agricoles (phnomnes rosifs intenses). Il se trouve que la nature des cavits souterraines est soit d'origine naturelle, soit d'origine anthropique. Les risques associs leur prsence relvent donc des deux catgories : quand elles sont d'origine naturelle, le risque est gologique. L'effondrement l'aplomb des surfaces sous-caves est la consquence de processus de dissolution de la roche ; quand elles sont d'origine anthropique, le risque est technologique. L'effondrement est li au dimensionnement et la stabilit de l'ouvrage. Quelle que soit l'origine de la cavit, les accidents en surface peuvent tre destructeurs. C'est pourquoi toute entreprise de Gnie Civil doit prendre en compte cet ala, et ce ds les premires

Chapitre 1

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tudes. L'objectif est d'aboutir des solutions d'identification des vides et de scurisation des sites sous-cavs.

1.2 La mthodologie gnrale pour la recherche de cavitsLa mthodologie de recherche de cavits propose est prsente sur la figure 1. Elle comporte deux aspects principaux : un travail d'inventaire, un ensemble de mthodes de dtection et de mesures. Le respect et la ralisation de l'ensemble de ces tapes sont les garants de la qualit des travaux de recherche de cavits souterraines naturelles ou anthropiques. Si le risque existe, les dcisions concernant l'aplomb des surfaces sous-caves doivent s'orienter vers l'une des solutions suivantes : un traitement (comblement ou confortement des cavits), une surveillance de la zone risques, ou un loignement.LES RECONNAISSANCES PRLIMINAIRES LTAPE PRALABLE Les donnes gologiques Roches solubles : cavits naturelles Roches exploitables par lhomme : cavits anthropiques, Donnes structurales et hydrogologiques Les enqutes Recherche darchives et d informations, enqutes LA RECHERCHE DINDICES DE SURFACE La tldtection Photo-interprtation, IR thermique La validation terrain Identification de secteurs potentiellement sous-cavs Slection des zones risque

LA DTECTION MTHODES GOPHYSIQUES DE SURFACE Carte des anomalies gophysiques

FORAGES Diagraphies instantanes et diffres, Vidoscopie en forages Localisation des vides et des zones dcomprimes

COMPLMENTS DTUDE Gophysique de forages,

INTERPRTATION - RECOMMANDATIONS

```

FIGURE 1 - Dmarche adopte pour la gestion de lala cavit (daprs Mudet, 1997).


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1.3 Objectif du guideL'objectif du guide est de prsenter les techniques de mesure physique et leur mthodologie permettant de dtecter les cavits. Dans le prsent chapitre, sont tout d'abord dcrits les objets de la problmatique : les cavits souterraines naturelles et anthropiques. Leur prsence tant directement lie aux caractristiques du systme gologique qui les englobe (nature de terrains, histoire, hydrologie, etc.), les tudes prliminaires (tudes gologiques et recherches d'indices) ncessaires leur dtection sont prsentes dans une seconde partie. Le deuxime chapitre donne une synthse gnrale sur les mthodes gophysiques de dtection des cavits souterraines. Elle a pour but d'orienter le matre d'uvre ou le matre d'ouvrage dans les choix visant la dfinition de la mthodologie optimale adapte chaque cas dtude. Cette synthse expose les performances des mthodes en fonction du type de cavit recherche et en fonction des dimensions de la zone d'tude. Il propose en conclusion un tableau des principales caractristiques des mthodes gophysiques prsentes dans ce guide. Les chapitres suivants prsentent le principe et la mthodologie des techniques gophysiques pour la recherche de cavits souterraines, savoir : les mthodes de tldtection (interprtation de clichs ariens dans le spectre visible et infrarouge, thermographie infrarouge. Elles sont assimiles aux mthodes gophysiques, car dans leur principe, il s'agit bien de mesurer l'effet d'un champ (lectromagntique) sur la matire (le sol) pour en dduire certaines caractristiques, la microgravimtrie, les mthodes sismiques (sismique rflexion haute rsolution, sismique rfraction, sismique en ondes de surface), les mthodes lectriques (panneau lectrique), les mthodes lectromagntiques basse frquence (VLF-EM, VLF-R et RMT, Slingram) et haute frquence (radar gologique), les diagraphies (instantannes, RAN) et les mthodes gophysiques de forage (mthodes lectromagntiques et lectriques).

2. LES CAVITS SOUTERRAINESLes cavits rencontres habituellement dans le domaine du Gnie Civil sont les carrires souterraines, les mines peu profondes et les cavits naturelles de dissolution. On notera que les matriaux les plus frquemment exploits en carrires (en dehors du sable, de l'argile ou de l'ardoise) sont des roches solubles susceptibles de donner dans certains cas des cavits naturelles. Il s'agit des roches carbonates (calcaire et craie utiliss pour la pierre btir, la chaux ou le ciment et pour l'amendement des sols siliceux) et des roches vaporitiques (essentiellement gypse, exploit pour le pltre). La prsence de tels matriaux dans le sous-sol doit donc inciter les matres d'uvre la prudence car les deux types de cavits, naturelles et anthropiques peuvent y tre rencontrs.

2.1 Cavits naturellesDe manire gnrale, une roche carbonate soluble est une formation dans laquelle sont susceptibles d'apparatre des cavits souterraines d'origine naturelle. Ces zones sont appeles zones karstiques. Par extension, toutes les formes de dissolution rencontres dans les roches sdimentaires (carbonates et vaporites) sont appeles karsts (le Karst est une rgion du sud de la Slovnie, compose de plateaux calcaires o l'eau s'infiltre en rseaux souterrains). Elles rsultent de l'action de l'eau qui dissout les carbonates et les sulfates dans les roches calcaires ou les vaporites.

Cavits naturelles en milieu carbonat

Dans les carbonates, dont la solubilit est de lordre de 12 mg/l 20 C, la circulation de l'eau largit progressivement les conduits naturels tels que les joints de stratification, les failles, les

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diaclases et cre un rseau souterrain de galeries, de boyaux, de salles et de puits. Ces processus sont relativement lents et ne sont pas observables l'chelle humaine : les dsordres rsultent de l'volution de vides anciens. Les galeries se dveloppent gnralement sur d'anciennes fractures horizontales ou sur des interfaces entre formations gologiques diffrentes. Elles forment des conduits de quelques dizaines de centimtres quelques mtres de diamtre. Les salles peuvent se crer l'intersection de plusieurs galeries ou lorsqu'un conduit vertical croise une galerie. En surface, le relief karstique est fait de valles sches, dolines, gouffres ou reliefs ruiniformes. Elles se manifestent plus particulirement en pays calcaires tels que le Jura et les Causses.

Cavits naturelles en milieu sulfat

Dans le gypse, roche sulfate la plus commune, qui prsente une solubilit de lordre de 2,5 g/l 20 C, la formation d'un rseau karstique consquent peut tre rapide, l'inverse de ce qui se passe dans les carbonates. Par exemple, la circulation d'eaux souterraines 500 l/s, dont la concentration passe de 50 mg/l 600 mg/l en 5 km, peut engendrer un lessivage de 8 500 tonnes de gypse par an, ce qui correspond un vide de plus de 400 000m3 en un sicle (Pothrat et al., 1999). Les karsts gypseux donnent lieu des effondrements importants par remonte de fontis, qui peuvent avoir de graves consquences en surface (jusqu' 200 m de diamtre et 50 m de profondeur pour le trou du Baou Bargemon, dpartement du Var). Les consquences des effondrements de karst gypseux peuvent s'tendre la lithologie environnante. Ainsi, dans le bassin Parisien, le lessivage du gypse luttien, par pompage de la nappe ocne, a provoqu, par entranement hydraulique, l'effondrement des sables de Beauchamps qui son tour a engendr l'effondrement des gypses bartoniens (Toulemont, 1987) ; c'est le cas de la cavit identifie sous la gare Paris-Nord. Dans le Var, on observe un processus cyclique de karstification. Lorsque la formation d'une cavit dans le gypse entrane un effondrement, l'boulis constitu, s'il est soluble, peut subir un nouveau cycle de karstification (Pothrat et al., 1999). Les dgts occasionns par l'effondrement de ce type de cavits peuvent tre trs dommageables pour le bti et les infrastructures en raison de l'ampleur des manifestations de surface.

2.2 Cavits anthropiques Le cadre lgislatifLe Livre 1er du code minier, Rgime gnral, Titre 1er de la classification des gtes de substances minrales (loi n 70-1 du 2 janvier 1970) fait tat dans ses articles 1 4 d'un distinguo entre les gtes et substances minrales considres comme mines et ceux considrs comme carrires. Sont considres comme mines : les exploitations de combustibles fossiles (hormis la tourbe), de sels de sodium et potassium, de substances mtalliques, de mtaux prcieux, de terres rares, d'lments radioactifs, de soufre, de slnium, d'antimoine, de bismuth, de bryllium, de gallium, de thallium, de phosphates ainsi que de gtes gothermiques. L'exploitation des minerais a donn naissance des districts sous-mins importants, tels que les bassins houillers lorrain, du nord Pasde-Calais et du Forez. En fonction de la gologie locale, ces exploitations peuvent prsenter un rseau de puits d'accs et de galeries trs tendu. Leur abandon pose aujourd'hui des problmes consquents relatifs la stabilit des terrains en surface (phnomnes de subsidence pour les mines profondes et effondrements localiss pour les mines de sub-surface). titre d'exemple, le bassin ferrifre de la Lorraine compte 11 000 ha de mines, dont 1 800 se trouvent sous sites btis et donnent rgulirement lieu des accidents de surface. Sont considres comme carrires : les exploitations ne relevant pas de la liste prcdente, en l'occurrence celles de matriaux de construction et de roches industrielles et ornementales. En raison de leur proximit de la surface, ces anciennes exploitations sont en partie la cible de ce guide. Quelques exemples caractristiques de carrires frquemment rencontres sont prsents ici.

La rpartition gographique

Les matriaux exploits en carrires souterraines sont en gnral classs dans les roches industrielles : calcaires, craie, tuffeau, gypse, sable, argile, molasse, ardoises, etc. En France, de


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faon schmatique, il est possible de distinguer six rgions (Tableau I) prsentant une concentration importante de carrires souterraines (Tritsch et al., 2002) : la Rgion Parisienne : Paris et les dpartements de la couronne parisienne ont vu l'extraction en souterrain de calcaire grossier, de gypse et de craie. La rgion Paris/Ile-de-France est sous-cave par 4 700 ha de carrires ; la Picardie et la Champagne : au nord et l'est de la rgion parisienne, les mmes formations ( l'exception du gypse) ont donn lieu de nombreuses carrires. Dans les dpartements de l'Aisne et de l'Oise, les calcaires cnozoques, et pour le dpartement de la Marne, la craie, ont servi de pierre de construction ; la rgion Nord - Pas-de-Calais : dans cette rgion les carrires souterraines dveloppes essentiellement dans la craie (catiches) reprsentent des surfaces trs importantes (plusieurs milliers d'hectares pour le seul dpartement du nord). Les exploitations de pierre btir ou de pierre chaux sont concentres autour des principales villes ; la Normandie : plus de cent carrires souterraines sont connues dans le seul dpartement du Calvados, Caen ayant t un centre d'extraction de pierres btir trs rputes. Mais il faut surtout signaler l'importance des extractions de craie pour l'amendement des sols : on estime environ 100 000 le nombre de marnires dans les dpartements de l'Eure et de la Seine-Maritime ; les Pays de la Loire : les extractions de pierre de taille calcaire et de moellon calcaro-crayeux (tuffeau de la Valle de la Loire) ont t particulirement abondantes dans les dpartements du Loir-et-Cher et de l'Indre-et-Loire ; l'Aquitaine - Poitou-Charente : en dehors de la Gironde, les dpartements de la Dordogne, de Charente, de Charente-Maritime et de la Vienne ont connu des extractions de pierre btir, de pierre chaux et de calcaire ciment. On compte plus de 2 000 carrires souterraines dans l'Entredeux-Mers. D'autres rgions ont connu par le pass une activit extractive de roches industrielles (calcaires, gypse, sables, glaise, les grses, les marbres, etc.) plus ou moins intense. Citons les exploitations de gypse de Bourgogne ou de Provence, les carrires de calcaire du Jura ou des environs de Marseille etc., ainsi qu'un type de carrire particulier, qui se rapproche des exploitations minires en raison de la profondeur d'extraction qui peut atteindre 300 m : les ardoisires d'Anjou, de Bretagne et du bassin de Fumay (Ardennes).``` TABLEAU I Principales rgions de carrires Rgion Parisienne Paris et dpartements, Ile-de-France NordPas-de-Calais Autour des principales villes (exemple : Lezenne, banlieue de Lille) Craie (pierre btir et chaux), carrires en forme de bouteille : catiche 1 5000 ha dans le dpartement du Nord Pays de la Loire Loir-et-Cher, Indre-etLoire AquitainePoitouCharente Dordogne, Charente, CharenteMaritime, Vienne

Rgions

Picardie-Champagne

Normandie

Localisation

Marne

Aisne et Oise

Calvados

Tous les dpartements

Matriaux dextraction

Craie, calcaire grossier, gypse

Craie, calcaire grossier

Calcaires cnozoques

Calcaire bathonien de Caen (pierre btir)

Craie (amendement des sols)

Calcaire tuffeau (moellon calcarocrayeux), carrires et habitations : troglodytes, ardoisires

Calcaire (ciment, pierre btir et pierre chaud)

NB

4 700 ha de carrires en Ile-de-France dont 770 ha sous Paris

100 000 marnires dans lEure et la SeineMaritime

2 000 ha de carrires en Gironde

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Typologie des carrires souterraines

La gomtrie et le volume des carrires, qui permettent de prvoir l'ampleur des accidents en surface, dpendent en grande partie de la nature du matriau extrait et de sa profondeur dans le sous-sol. Selon la topographie locale, l'accs aux carrires peut se faire : soit depuis la surface par un puits ou une descenderie dans les zones de plateaux, soit flanc de coteau, par une entre en cavage. Les principaux types d'exploitations sont les suivants : Exploitation par chambres et piliers ou piliers tourns Ce type de carrire concerne principalement l'extraction de calcaire, de craie, de tuffeau et de gypse. Les piliers peuvent tre aligns (Fig. 2), disposs en quinconce ou de faon alatoire. Dans ce dernier cas il s'agit de vieilles carrires, gnralement en mauvais tat. Les piliers jouent le rle de soutnement mais prsentent l'inconvnient de provoquer des effondrements de surface en cas de rupture. Leur forme est variable : section carre ou rectangulaire pour les calcaires et section trapzodale pour le gypse (premire masse du Bassin parisien). Les carrires de craie prsentent parfois des galeries votes et des piliers de grandes dimensions (taux de masse). Il est frquent de rencontrer des carrires plusieurs niveaux, gnralement deux ou trois.

``` FIGURE 2 Exploitation de calcaires jurassiques par piliers tourns (carrire du Pot Beurre, Bourges).

Quelques variantes montrent des galeries filantes laissant des piliers trs longs et sensiblement parallles entre eux (Val-de-Loire) ou des zones petits piliers spares par des piliers en rideaux ou en voile.

Exploitation par hagues et bourrages

Un soutnement provisoire compos de piliers en pierres sches ( bras), destins caler le ciel de carrire, est ralis. Il est confort par la mise en place de remblais autour des piliers : le bourrage. L'dification de murs en pierres sches (hague) qui contiennent les bourrages, complte le soutnement. Cette ancienne technique permet l'exploitation de la totalit de la masse en prsence, essentiellement des calcaires, et limite l'affaissement du toit qui repose sur le remblai.


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Exploitation par affaissement dirig C'est une technique pratique dans les carrires de gypse. Ce type d'exploitation se fait partir d'une longue galerie d'accs, en reculant depuis le fond jusqu' l'entre par foudroyage progressif des piliers, afin de prvenir tout effondrement ou affaissement inopin et d'augmenter le volume exploit. Exploitation par galeries radiales et chambres Ces exploitations sont typiques des marnires de Normandie. La craie marneuse tait extraite de chambres creuses partir de petites galeries disposes de manire rayonnante autour d'un puits d'accs de 15 40 m de profondeur, sur un ou plusieurs niveaux. En Haute-Normandie, la craie tendre ou marne a t exploite jusque dans les annes 1950 pour l'amendement des terres (appel aussi le chaulage, apport de carbonate de calcium pour l'agriculture). Les caractristiques des marnires dpendent de leur dure d'exploitation, de la qualit des matriaux rencontrs lors de l'exploitation et de la technique utilise. Les marnires prsentent depuis la surface un puits d'accs d'environ 1 mtre de diamtre qui traverse gnralement une couche de limon et une couche d'argile silex ou de sable. Puis 3 ou 4 m de l'interface craie/argile, l'exploitant creusait horizontalement un passage (ou plusieurs), appel illard ou tombe, par lequel commenait l'exploitation du banc de craie calcaire (Manier, 2001). En Haute-Normandie, le nombre de marnires est estim 10 par km2 (exemple : dpartement de l'Eure, Fig. 3) : il est donc indispensable pour tout projet de gnie civil envisag dans cette rgion, de recourir au recensement des cavits dans la zone concerne.

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FIGURE 3 - Nombre de marnires par hectare recenses en 1998 dans lEure (source DDE de lEure).

Exploitation en bouteille ou catiche Dans le dpartement du Nord, la craie grise du Turonien suprieur et la craie blanche du Snonien ont t exploites pour la taille de pierre et l'amendement des sols. Ces carrires, ou catiches prsentent depuis la surface un puits d'environ 1 m de diamtre traversant la couche de limon puis s'largissant en fonction de la profondeur en forme de bouteille de 7 10 m de diamtre la base

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et d'une hauteur de 12 20 m. Elles sont gnralement relies entre elles par un rseau de galeries (Fig. 4). On dnombre plus de 1500 ha de carrires sur onze communes dans le dpartement du Nord, et 1 114 ha ont t cartographis (donnes du Service Dpartemental de l'Inspection des Carrires Souterraines (SDICS)). Les puits de ces cavits, la fin de l'exploitation, sont gnralement obstrus par un bouchon, que l'on n'est pas toujours en mesure de localiser.

``` FIGURE 4 Plan dexploitation de type catiche (en bas) et par piliers tourns (en haut) (source SDICS).

Exploitation par chambres Les ardoisires se prsentent gnralement sous forme de salles volumineuses de 20 30 m de section horizontale et d'une hauteur de 50 80 m. Elles sont en principe remblayes, de sorte qu'il ne reste plus que des galeries de visite mnages en haut des remblais.

Grandeurs caractristiques des carrires

Volume des vides et taux de dfruitement Le volume des vides est fonction de la section des galeries et du taux de dfruitement, qui est le rapport de la surface exploite la surface totale. Ce taux de dfruitement est lui-mme fonction de la rsistance la compression du matriau et de la profondeur de la carrire. Il atteint frquemment 80 % dans les calcaires. Il est de 60 70 % dans la craie et peut descendre sous les 50 % dans le gypse. Dimensions des vides Les dimensions des vides sont fonction de la puissance des bancs exploits, de la rsistance des piliers et de la qualit du toit. Dans les calcaires, la dimension moyenne des galeries varie de 2 4 m de large (jusqu' 15 m ) pour 2 5 m de hauteur (jusqu' 8 m dans la craie). Dans le gypse, les hauteurs moyennes de vides sont de l'ordre de 8 10 m (17 m dans la premire masse du massif de l'Hautil, l'ouest de Paris), les largeurs des galeries tant comparables celles des calcaires. On observe des dimensions similaires dans le gypse du Trias provenal. Dans le gypse ludien, deuxime masse de la rgion parisienne, la hauteur des galeries est de l'ordre de 2 mtres.


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Profondeur des vides La profondeur des exploitations, parfois trs proches de la surface, est gnralement comprise entre 5 et 50 m. Elle atteint 60 70 m dans certaines carrires de gypse, de craie du Bassin de Paris, de Provence ou du Jura, et exceptionnellement, plus d'une centaine de mtres pour les ardoisires.

Autres cavits anthropiques

Troglodytes Les troglodytes sont gnralement d'anciennes habitations, creuses dans les falaises ou en pied de coteau, dans des roches tendres comme le tuffeau et le falun dans la rgion de Saumur. Souterrains Les souterrains sont des galeries plus ou moins tendues, pouvant dboucher sur des salles. De tout temps l'homme a amnag des espaces souterrains auprs de son habitat. On en trouve plus particulirement auprs des chteaux, aux abords ou dans les villes (les souterrains de Limoges creuss dans le tuf , les souterrains de Provins creuss dans la terre foulon, etc.). Sapes Les sapes de guerre sont des galeries que l'on trouve principalement dans le Nord-Pas-de-Calais et en Picardie. Ce sont des galeries creuses pendant la premire guerre mondiale, de prfrence dans le limon ou l'interface limon/craie. Leur largeur est d'environ 1 m et leur hauteur peut atteindre 2 m. Elles s'tendent en rseau souterrain, pouvant dboucher sur des salles de dimensions variables. Leur emplacement et leur prsence est souvent rvle lors des travaux de terrassement. Catacombes Les catacombes sont d'anciennes carrires de calcaire grossier que l'on trouve en particulier Paris et Orlans. L'Inspection Gnrale des Carrires (IGC), cre en 1777 pour la surveillance de ce rseau, on estime 770 ha la superficie, et environ 300 km de galeries. Les 14e et 13e arrondissements contiennent les rseaux les plus importants. Seule la moiti du rseau est inspecte par l'IGC, le reste tant rparti sous les domaines privs. Les carrires souterraines abandonnes sont souvent rutilises en agroalimentaire des fins de stockage ou de fabrication de produits, en raison des conditions de temprature et d'hygromtrie stables qui rgnent dans ces cavits. On trouve ainsi des caves vinicoles, des champignonnires, des silos grain, etc. Les boves sont de petites cavits de 1 5 m de profondeur, creuses dans l'argile, servant stocker les tissus de l'industrie. Ce type de cavit est rgulirement mis jour lors de travaux de terrassement. Enfin, les glacires de Strasbourg, creuses dans le limon, sont des lieux de stockage de la glace pour la fabrication de la bire.

2.3 Risques lis la prsence de cavitsLes instabilits de cavits souterraines gnrent des dsordres qui peuvent se propager jusqu' la surface. Les consquences peuvent tre trs graves : ruine des constructions et des ouvrages de gnie civil et mort d'homme en cas de phnomne brutal. Les risques lis la prsence de cavits souterraines ont dj fait l'objet d'un guide (Tritsch et al., 2002). Il y a une gradation dans la gravit des problmes de surface engendrs par les effondrements, depuis l'affaissement jusqu' l'effondrement gnralis en passant par la monte d'un fontis au jour et l'effondrement localis (Fig. 5).

Les affaissements

Ce sont des dformations qui rsultent d'un tassement progressif des terrains de recouvrement par fermeture des vides sous-jacent. Les affaissements se manifestent par la formation d'une cuvette en surface. Ils se produisent gnralement suite l'effondrement d'une exploitation grande profondeur (Fig. 6). Ils sont essentiellement dommageables pour les habitations et les infrastructures.

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FIGURE 5 - Profil gologique typique de Haute-Normandie. Relation entre le rseau karstique et les accidents en surface (source LRPC de Rouen).

``` FIGURE 6 Affaissement sur une ancienne mine de charbon (rgion de Laval).

Les montes de fontis au jour

Les montes de fontis au jour rsultent d'une rupture du toit de la cavit qui dbouche en surface en crant un entonnoir de quelques mtres quelques dizaines de mtres de diamtre. Ce phnomne peut mettre plusieurs dizaines d'annes avant d'atteindre la surface, mais la rupture finale est gnralement brutale (Fig. 7). Le risque de monte au jour d'un fontis dpend du diamtre et de la hauteur des cavits comme de l'paisseur et de la nature du terrain de recouvrement ainsi que des conditions mtorologiques.


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Bien que les dommages en surface, compte tenu de la taille du phnomne, soient gnralement limits, il arrive que des habitations disparaissent dans les entrailles de la terre (passage Le Gourdon Paris, 1879). Les fontis ns de l'effondrement de cavits naturelles se cantonnent prfrentiellement aux terrains gypsifres tels que le ludien du bassin Parisien, le trias provenal (Fig. 8) ou de la bordure cvenole. La taille des fontis peut atteindre 100 m de diamtre. En terrain calcaire, le rseau de karst est gnralement stable en raison des bonnes caractristiques mcaniques du matriau. Les effondrements peuvent cependant avoir lieu si la cavit est proche de la surface, si une surcharge pondrale est applique au-dessus d'elle ou en cas de vieillissement acclr (fuite de rseau , trafic, etc.).

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FIGURE 7 - Fontis sur carrire du gypse du Trias provenal (Roquevaire).

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FIGURE 8 - Effondrement de cavit naturelle dans le gypse du Trias provenal.

Effondrements localiss

Les effondrements localiss sont une variante des montes de fontis car ils naissent de la rupture de plusieurs piliers, ce qui a pour consquence de provoquer en surface une zone d'effondrement d'un diamtre suprieur celui d'un simple fontis.

Effondrements gnraliss

Ce sont des effondrements brutaux qui peuvent affecter des superficies de quelques mtres carrs plusieurs hectares (Fig. 9). L'amplitude de l'effondrement maximal est en gnral la moiti de la hauteur d'une couche fictive quivalente au volume des vides. Par exemple, une couche de 4 m exploite avec un taux de dfruitement de 50 % reprsente une couche fictive de 2 m (Pothrat et al., 1999). Les effondrements gnraliss interviennent dans les carrires de grande dimension, taux de dfruitement lev et sous fort recouvrement.

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``` FIGURE 9 Effondrement gnralis sur carrire de gypse du Trias bourguignon (Ivry-en-Montagne, 21).

3. LES RECONNAISSANCES PRLIMINAIRESLors de la phase initiale d'un projet de Gnie Civil, la reconnaissance gologique est place trs en amont et consiste obtenir toutes les informations relatives aux caractristiques du sol et du sous-sol. Parmi les informations recherches figurent celles relatives la prsence ventuelle de cavits. La dmarche de localisation de ces dernires (particulirement dveloppe dans le thme Carrires souterraines abandonnes du LCPC ) s'organise gnralement selon le schma suivant : dans une premire tape, ou tape pralable, une expertise gologique de la zone du projet permet de porter un avis sur la nature du (des) matriau(x) prsent(s) en sous-sol et sur la structure du terrain concern. Les informations recueillies permettent de trancher sur la prsence possible de cavits, d'origine naturelle ou anthropique. En cas de rsultats probants une phase d'enqutes est enclenche. Elle consiste exploiter tous les documents d'archives disponibles dans lesquels sont consignes des informations relatives la prsence de carrires souterraines ou des accidents survenus en liaison avec des cavits. Afin de complter cette phase de renseignements, une enqute orale est mene auprs de la population locale. L'exprience aidant, on peut considrer que les informations tires des enqutes sont toujours incompltes et demandent tre prcises par une phase de recherche d'indices de surface. Ces indices peuvent tre des anomalies topographiques rvlatrices de dformations lies des instabilits profondes ou signant la prsence potentielle de vides de dissolution. Ils peuvent tre galement des vestiges d'ancienne activit extractive. la suite de ces deux premires phases les secteurs potentiellement sous-mins seront circonscrits. Le dernier stade de la phase initiale des recherches, bas sur des techniques de tldtection, vient complter les informations tires des stades prcdents par l'analyse de photos ariennes, ou par acquisitions d'images infrarouge thermique. Ces techniques sont destines dceler des anomalies en relation directe ou indirecte avec une cavit en profondeur, qu'il s'agisse d'anomalies du relief ou d'anomalies de temprature. La phase de validation terrain permet de faire le tri entre les diffrentes anomalies et de circonscrire les zones risque.

3.1 L'tape pralableCette phase de reconnaissance est une des plus importantes car elle permet d'une part, de valider la prsence potentielle de cavits dans le sous-sol par une tude gologique adquate, d'autre part, par le seul recours aux archives et aux tmoignages, de cartographier avec plus ou moins de prcision, les zones potentiellement sous-mines de manire naturelle ou artificielle. Une fiche de renseignements jointe en annexe du chapitre Synthse gnrale permet de rassembler les informations collectes et de se forger un premier avis sur lorigine des indices tudis.


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L'tude gologique

Il faut d'abord consulter la carte gologique et topographique 1/50 000 et les autres documents existants. Cet examen permet de vrifier, en premier lieu, si d'anciennes carrires ou des indices de cavits souterraines figurent sur la carte et en second lieu, si des terrains susceptibles d'avoir t exploits ou de renfermer des cavits de dissolution sont prsents en profondeur. Le log stratigraphique renseigne sur la profondeur des bancs exploitables (ou solubles), donc sur la profondeur d'ventuelles cavits, de mme que sur leur puissance qui contrle la hauteur des vides, voire le nombre de niveaux exploits. La position de la nappe phratique, qui constituait autrefois une limite la profondeur d'exploitation, est une information de premier ordre qui peut tre tire de la notice explicative accompagnant la carte gologique. Sur la carte gologique figurent galement les accidents tectoniques, servant de drains aux nappes phratiques et sur lesquels sont en gnral alignes les anomalies topographiques (dolines, gouffres, aven) en relation avec des cavits de dissolution. Un contrle visuel in situ compltera les donnes de la carte. La recherche d'affleurements apporte en particulier des indications sur la formation gologique locale (stratification, failles, etc.). Il permet en outre de mieux renseigner sur : le type de roche ou de matriau concern, son environnement lithologique, son tat d'altration et de fracturation. Ces informations permettent de prciser la carte gologique et, suivant les besoins, d'tablir des corrlations avec les informations hydrologiques, tectoniques et ptrographiques Ainsi, dans les formations karstiques, l'identification de ces paramtres permet d'extrapoler le risque l'ensemble des zones prsentant les mmes caractristiques de terrain et de dterminer les secteurs o la probabilit de trouver des cavits naturelles ou anthropiques est forte (Toulemont, 1987). La recherche gologique est essentielle, car elle permet ensuite de choisir, d'une part, les mthodes gophysiques les plus adaptes la dtection des cavits et, d'autre part, l'implantation des profils gophysiques.

La recherche d'archives et d'informations

C'est une tape trs importante qui s'avre tre dans certains cas la mthode la plus efficace pour localiser des cavits (Manier, 2001). La recherche d'archives et d'informations commence gnralement par l'tude de la toponymie de la zone tudier sur une carte topographique 1/25 000. Les plans d'archives (plans cadastraux, plans d'exploitations (quand ils existent) sont alors consults. Ces documents sont disponibles auprs des organismes publics suivants : Inspections des Carrires ou services municipaux ou dpartementaux des Carrires, DRIRE, BRGM ou dans les archives dpartementales et communales, des services de l'Equipement (Subdivision, DDE, LRPC), des Conseils gnraux, des mairies, des socits houillres, des cabinets de gomtres, des associations splologiques, des GRIMP (Groupes d'intervention en milieu prilleux), des sapeurs pompiers, des gendarmeries, etc. D'autres organismes, comme le CEBTP, le CNRS, l'EDF peuvent mettre disposition leurs bases de donnes. La consultation d'articles, de thses, de mmoires, de rapports d'tudes en gologie, en gophysique et en gnie civil contribueront selon les cas la recherche d'indices. Les cartes des risques naturels (ZERMOS, PER, PPR) contiennent des informations prcieuses sur les zones karstiques et les carrires souterraines. Par ailleurs, une base de donnes (BDCavits) recensant les cavits rencontres sur le territoire national est en voie de constitution par le BRGM, le LCPC et l'INERIS. Elle est en libre accs sur le site internet du BRGM. Les informations intressantes recueillir concernent la toponymie, la morphologie, les indices de surface (effondrement, affaissement, puits, etc.), les indices de photographies ariennes dj disponibles, la gomtrie potentielle du vide recherch (taille, profondeur, extension, etc.), le type du vide recherch (carrires, souterrains, sapes, karts, etc.).

L'enqute orale

Les tmoignages des populations (maires, agriculteurs, etc.) sont riches d'enseignements. Il est possible d'interroger les personnes individuellement, oralement ou par courrier. Des runions

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sont frquemment organises en mairie en prsence des administrs. Il convient cependant de rester prudent sur la valeur des tmoignages humains car dune part ces derniers font appel la mmoire et dautre part certains problmes peuvent tre cachs volontairement.

3.2 La recherche d'indices de surfaceL'tape suivante consiste en une recherche d'indices d'affaissements, d'anciennes activits extractives ou de structures rvlatrices de la prsence potentielle de cavits naturelles (dolines, dpressions alignes, etc.) ou anthropiques (dpressions ponctuelles). Quand elle est possible, et ce d'autant plus pour des zones tendues, la tldtection est une mthode fortement conseille. Elle renseigne aussi bien sur la morphologie et la structure rgionale que sur la temprature apparente du sol qui peut tre troitement lie la prsence d'une cavit. La tldtection, regroupant ici l'interprtation de clichs ariens et la radiomtrie infrarouge thermique, est dcrite dans son principe et sa mthodologie au chapitre suivant. Des validations sur le terrain doivent clore la phase prliminaire. Les nouveaux indices relevs compltent la carte des secteurs potentiellement sous-cavs et permettent de dfinir les zones risques.

4. LES RECONNAISSANCES GOPHYSIQUES ET GOTECHNIQUESUn premier zonage issu des tudes prliminaires permet alors d'implanter les mthodes d'exploration gophysiques de surface. Elles consistent mesurer l'effet d'un champ physique sur le terrain. partir de ces mesures, certaines caractristiques du sol vont tre dduites, l'objectif tant de rvler toute cavit susceptible de provoquer des effets indsirables en surface. Le choix de lune ou de plusieurs de ces mthodes dpend principalement des facteurs suivants (le chapitre Synthse gnrale comporte une srie de tableaux guidant ce choix) : la dimension de la zone d'tude et son environnement, la nature des terrains encaissants, les caractristiques des cavits recherches : cavits vides, partiellement ou non combles de matriaux conducteurs, profondeur, dimension, les moyens disponibles, fonction de la nature du projet. Ces tudes aboutissent un second zonage du terrain, sur lequel sont implants les forages de reconnaissance qui permettent d'affiner et de complter le modle gologique et le modle gophysique. Ces forages peuvent tre destructifs ou carotts. Dans ce dernier cas, les chantillons prlevs peuvent tre analyss en laboratoire. L'enregistrement de paramtres physiques peut tre ralis pendant la foration (diagraphies instantanes) ou aprs la foration autour du forage (diagraphies diffres). Des mesures gophysiques en forage, entre forages, ou de forage surface, permettent le domaine dinvestigation. ce stade, tous les moyens disponibles auront t mis en uvre pour dtecter des cavits souterraines naturelles ou anthropiques. Il appartient alors aux responsables matres d'uvre de prendre les dcisions adquates quant aux traitements ou aux prcautions qu'ils convient d'adopter. Cependant, il convient de garder prsent lesprit que le risque nul nexiste pas et quil sera toujours possible qu'une cavit trop petite, trop profonde, ou de caractristiques non imagines dans le modle gologique, ne soit pas dtecte.RFRENCES BIBLIOGRAPHIQUES MUDET M., Les cavits souterraines sous plateformes ferroviaires. Mthodes d'tude et de dtection - Application aux infrastructures nouvelles et existantes, Mmoire ingnieur du Conservatoire National des Arts et Mtiers, 1997, 226 pages. POTHRAT P., DORIDOT M., CHAHINE M., L'utilisation de la photo-interprtation dans l'tablissement des plans de prvention des risques lis aux mouvements de terrain, Guide Technique, Collection environnement - Les risques naturels, dition Laboratoire Central des Ponts et Chausses, 1999, 128 pages.


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TOULEMONT M., Les risques d'instabilit lis au karst gypseux luttien de la rgion parisienne - Prvision et cartographie, Bulletin de liaison des Laboratoires des Ponts et Chausses, 150-151, 1987, pp. 109-116. TRITSCH J.-J, TOULEMONT M., DURVILLE J.-L., POTHRAT P., valuation des alas lis aux cavits souterraines, Guide technique, Collection Environnement, dition Laboratoire Central des Ponts et Chausses, 2002, 130 pages. Risque et Gnie Civil, Actes du Colloque, Paris-Unesco, 2000. Rapport du projet national CriTerre MANIER E., Problmatique et mthodologie de recherche et de traitement dvelopp au CETE Normandie Centre, 2001, 46 pages. Rfrences consultes mais non cites HENRY G., Gophysique des bassins sdimentaires, dition Technip, 1994. Ineris SSE, Effondrements dans le karst triasique gypseux du secteur Malbosc (La Grand'Combe - Gard), Note de synthse, 1994. JAILLET S., Recul de couverture et karstification dans un karst couvert de bas plateaux : le Barrois (Lorraine/Champagne France), Actes du colloques Karst-99 , 1999. KAUFMANN O., Les effondrements karstiques du Tournaisis : gense, volution, localisation, prvention, Thse de Doctorat de la Facult Polytechnique de Mons, 2000. Rapport n 1540, Techniques de prvision et de prvention des risques naturels, Rapport de l'Office parlementaire d'valuation des choix scientifiques et technologique.

Chapitre 2. Synthse gnrale

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Synthse gnrale

1. LA MTHODOLOGIE GNRALEPOUR LA RECHERCHE DE CAVITSLa recherche de cavits s'inscrit dans une politique de prvention des risques naturels et technologiques. Elle a pour objectif de dterminer les zones sous caves susceptibles de provoquer des prjudices en surface. La mthodologie de recherche prconise comporte les tapes suivantes : des tudes prliminaires, une campagne de mesures gophysiques, une campagne de forages. Elle doit mener des solutions techniques de traitements. Cette synthse rappelle les points principaux de la mthodologie. Elle prsente le domaine de l'tude et propose un classement des mthodes dployer en fonction du type de cavits recherches et de la taille de la zone d'tude. Enfin un tableau reporte pour chaque mthode les profondeurs d'investigation, le rendement, le type de cavit vise, la sensibilit au bruit, les sources de leurre et les conditions ncessaires d'applications.

1.1 tudes prliminaires tudes gologiques La recherche des cavits souterraines naturelles ou anthropiques commence par la consultation d'une carte gologique et dune carte topographique. Elle doit permettre de dterminer la nature du terrain et les ventuelles conditions propices lapparition de cavits. Les cavits naturelles ou karsts se rencontrent dans un sol soluble comme le calcaire (milieu carbonat) et le gypse (milieu sulfat). Les cavits anthropiques, essentiellement des carrires et des mines, se trouvent dans les sols exploitables par l'homme. Elles sont plus problmatiques que les karsts : elles sont beaucoup plus nombreuses, et pour les plus anciennes, leurs caractristiques (localisation et dimensions) sont perdues ou inconnues. Il est frquent que le sol soit soluble et exploitable (calcaire et gypse en particulier). La prsence des deux types de cavits est alors possible. L'tude gologique consiste recueillir les informations concernant la structure interne du terrain et analyser l'ensemble des indices pour dfinir les zones de faiblesse : fractures, zones de dcompression et, si possible, zones sous caves.

Chapitre 2

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Recherche d'indices

La recherche d'indices comporte la consultation d'archives et des enqutes de voisinage. Selon les moyens mis en uvre, le type de cavits recherches et les dimensions de la zone d'tude, des techniques de tldtection complteront cette tape. Un contrle visuel in situ vient clore la recherche d'indices. Les tudes prliminaires ralises mnent une premire dfinition de l'ala cavit et un premier zonage. Elles peuvent tre synthtises, par exemple, sous la forme dune fiche Renseignement cavit telle quindique en annexe du prsent chapitre.

1.2 Les mthodes gophysiquesLes mthodes gophysiques sont appliques aprs la ralisation des tudes prliminaires. Elles apportent des informations supplmentaires sur le modle gologique et permettent de raliser un second zonage plus prcis, au droit des anomalies mesures susceptibles d'tre relies des cavits.

1.3 Les foragesLes forages sont ensuite implants sur le second zonage. Ils permettent de contrler localement les hypothses faites sur le modle gologique et la nature des anomalies mesures par les mthodes gophysiques. Il est impratif d'accompagner les forages de diagraphies instantanes et le cas chant, en fonction des tudes prliminaires, de diagraphies diffres. Si les forages rencontrent une cavit, alors elle est dtecte. Si les forages ne rencontrent pas de cavit, cela ne signifie pas qu'il n'y a pas de cavit. Des tudes supplmentaires peuvent tre alors dployes : des mesures complmentaires en diagraphies permettent de prciser le modle gologique et des mesures par mthodes gophysiques en forage permettent ventuellement de localiser des cavits prs des forages quand elles sont indtectables depuis la surface. Ces dernires phases peuvent cependant s'avrer coteuses et sont alors prfrentiellement dployes autour des zones qu'il faut scuriser imprativement. Lorsque les cavits sont localises, les solutions techniques de traitement sont envisages pour scuriser le site.

1.4 Synthse des actions entreprendre lors d'une recherche de cavitsTrois cas sont envisageables dans les phases de recherche de cavits inconnues. a - La prsence dune cavit est mise en vidence par l'apparition d'accident de surface (fontis, effondrements, affaissements). Dans ce cas, il existe peu d'indications sur la taille et la profondeur des cavits. Une campagne de sondages destructifs (avec ventuellement enregistrement de paramtres) accompagns d'un contrle visuel pendant ou aprs la foration (sonar, camra, etc.) permettra d'tablir un premier diagnostic. Selon les moyens mis en uvre, un puits d'accs peut aussi tre creus. b - L'existence dune cavit est souponne partir des tudes prliminaires sans pour autant en connatre la position et la profondeur. S'il n'y a pas d'indices de surface et que la position de la cavit n'est qu'approximative, alors deux tapes sont envisager : Une prospection gophysique dfinie sur la base du modle gologique est mettre en uvre. Elle permettra de dlimiter les zones risque, et d'implanter les forages au droit des anomalies constates. La campagne de forages ne donnera satisfaction que si ceux-ci rencontrent les cavits. Les informations recueillies tant uniquement locales, si aucun forage ne rencontre de cavits, ce n'est pas pour autant qu'il n'y en a pas. Il convient alors de redfinir leurs implantations.


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Si des soupons existent sur l'existence de cavits, en particulier si les rsultats de la recherche prliminaire laissent supposer leur existence, et que la campagne de mesures gophysiques et la campagne de forages n'ont rien donn, il faut : soit reconsidrer le modle gologique et les mthodes dployer, soit prendre des dcisions qui assumeront les risques encourus. c - Si aucune information ne laisse supposer l'existence de cavit, il n'y a pas lieu de mener les recherches. Quelques sondages restent cependant ncessaires pour affiner le modle gologique. Une campagne gophysique peut aussi tre conduite car les informations recueillies seront autant d'informations supplmentaires pour affiner le modle gologique, et donner la meilleure assise possible aux travaux envisags.

2. LES MTHODES GOPHYSIQUES2.1 Profondeur d'investigation et profondeur de dtectionLa profondeur d'investigation d'une mthode gophysique est la profondeur pour laquelle la mesure du champ physique est exploitable. C'est une grandeur thorique qui dpend de la nature du champ et des proprits du sol. La profondeur de dtection est la profondeur pour laquelle un objet (cavit) de dimensions finies dans un sol produit un champ mesurable en surface. Ce champ dpend du contraste entre les grandeurs physiques de la cavit et celles de l'encaissant. En outre, selon les mthodes, ce champ dpend directement soit du volume de la cavit, soit de sa surface d'interaction (Fig. 10). Seuls les outils de modlisation permettent de prciser les profondeurs de dtection que l'on peut attendre d'une mthode pour un objet et un terrain donns.

Le champ cr par la cavit dpend :

1- de son volume

1- de sa surface d'interaction (surface de Fresnel)

Encaissant

Encaissant

Cavit

2 - du contraste encaissant / cavit

Cavit

2 - du contraste encaissant / cavit

Microgravimtrie

Masses volumiques

Sismique

Impdances mcaniques

Mthodes lectriques et lectromagntiques basse frquence

Rsistivits, inversement conductivits

Radar gologique

Permittivits effectives

```

FIGURE 10 - Dpendance gomtrique du champ cr par une cavit selon diffrentes mthodes gophysiques.

2.2 Gnralits sur la dtection des cavits vides, des cavits combles ou partiellement comblesUne cavit de dimension finie est directement dtecte par une mthode gophysique si le champ qu'elle produit est mesurable et significatif.

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On dtecte aussi un grand nombre de cavits indirectement : leur prsence est rvle par la dtection de la gomtrie qui accompagne leur formation et/ou leur volution : zones de dcompression ou de drainage, failles, fractures, indices naturels et anthropiques de surface, etc. La majorit des cas consults (bibliographie et rsultats d'tudes) montre que : des vides mtriques dcamtriques sont dtects directement dans les vingt premiers mtres, avec plus ou moins d'efficacit selon les terrains et les mthodes. Un vide sphrique dont le toit est une profondeur de l'ordre de son rayon (on parle souvent de vides peu profonds et volumineux) est a priori dtectable avec toutes les mthodes gophysiques de surface. Au-del de 15 m de profondeur, l'efficacit des mthodes diminue notablement : dans les conditions relles de terrain, le milieu encaissant, souvent htrogne, gnre un bruit gologique qui minore la profondeur d'investigation thorique des mthodes. les vides au-del de 20 m sont gnralement mis en vidence indirectement. titre d'exemple, les mthodes infrarouges ont permis de localiser des marnires par la dtection de leur puits, alors que la profondeur de la chambre d'exploitation peut atteindre 40 m. De mme, les mthodes sismiques localisent des vides trs grande profondeur (un exemple de mine localise plus de 100 m de profondeur est report en sismique) par effet de masquage des horizons rflecteurs sous-jacents. les cavits conductrices, c'est--dire les cavits partiellement ou totalement combles par un matriau lectriquement conducteur comme l'argile et l'eau, reprsentent une part importante des cibles rechercher. Elles sont gnralement lies la prsence de vides. Les cas les plus frquents sont les carrires et les karsts combls de matriaux limoneux ou argileux. Ce remplissage rsulte principalement de circulations d'eau qui gnrent des zones de dcompression dans le milieu encaissant et entranent des particules plus ou moins fines et conductrices (circulation de fines). Dans ce contexte, l'imagerie du sol et de ses zones conductrices (failles, fractures, poches, etc.), classiquement obtenue par les mthodes radar et les mthodes lectriques et lectromagntiques basse frquence jusqu' 50 m, constitue un outil important pour la recherche de cavits.

2.3 Dfinition du domaine d'tudePour les cavits anthropiques situes des profondeurs pouvant atteindre 100 m (mines et carrires), les plans sont gnralement connus. Si ce nest pas le cas, les mthodes sismiques (sismique rflexion en particulier) sont les seules mthodes qui ont permis de relocaliser ce type de cavits dans certains cas autorisant dexcellentes conditions de mesures. Pour les cavits naturelles profondes (> 50 m), le problme d'instabilit se prsente essentiellement en milieu sulfat, o des dissolutions peuvent apparatre trs rapidement. Les dgts en surface peuvent tre trs importants. Ce sont d'abord des tudes gologiques et hydrologiques qui permettront de dterminer le risque ces profondeurs. Outre ces deux exceptions, ce sont les cavits anthropiques de petites tailles (exploitations individuelles de type marnire ou catiche, de quelques dizaines de mtres cubes, sape de guerre, souterrain, etc.) et les karsts peu profonds qui posent problme. En gnie civil et dans les cas les plus couramment traits, la recherche de vides concerne essentiellement les dix vingt premiers mtres de profondeur. Arbitrairement, le domaine d'tude sur lequel sont compares les mthodes gophysiques prsentes dans ce guide a les caractristiques suivantes : une surface de quelques m2 quelques km2, une profondeur d'investigation de 50 m, des cavits vides ou conductrices dont les dimensions varient de quelques dcimtres quelques mtres (Fig. 11). < Remarque : Les risques lis aux cavits situes des profondeurs suprieures < < 50 m existent. Outre les mthodes sismiques, appliques dans des conditions < < trs particulires, les autres mthodes de surface sont majoritairement inadaptes pour < < < rechercher des cavits profondes.


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Surface de la zone d'tude : de quelques dizaines de m2 plusieurs milliers de km2 Cavit vide ou conductrice Ordre de grandeur : R = 1 25 m Zone d'investigation : 50 m

``` FIGURE 11 - Grandeurs caractristiques de la zone de recherche de cavit en gnie civil.

2.4 Non-unicit de la mesure en gophysiqueL'interprtation d'une mesure en gophysique n'est pas unique : il existe un ensemble d'anomalies dans le sol susceptibles de produire le mme effet sur le champ mesur. Par consquent, il est ncessaire d'augmenter les informations a priori sur le milieu et les cavits recherches : une mthode gophysique doit imprativement s'accompagner d'tudes prliminaires et de forages. Il est aussi trs frquent que plusieurs mthodes gophysiques soient dployes. Quelle que soit la mthode, un forage rencontrant une cavit est la seule certitude de dtection. Dans la quasi-totalit des cas, ce sont les mthodes gophysiques qui permettront de dfinir au mieux l'implantation des forages.

2.5 Le bruit en milieu urbain et en milieu ruralSans tenir compte du dispositif de mesure, le bruit d'une mthode gophysique a pour effet de diminuer les potentialits de la technique. Il a deux origines : 1 - Le bruit gologique Il est li la nature des terrains et nat de la prsence de toute autre htrognit que la cavit, dans le milieu encaissant. 2 - Le bruit anthropique Il est li l'activit humaine. Il est gnralement faible en milieu rural et important en milieu urbain. Chaque mthode a son type de bruit. Le dploiement et l'interprtation des mesures gophysiques ncessitent de prendre en compte l'ensemble des facteurs perturbateurs. En milieu urbain, les mthodes gophysiques de surface suivantes sont envisageables : les mthodes radar : seuls les metteurs radio puissants et proches des points de mesures peuvent gner l'interprtation des rsultats. Gnralement les antennes sont suffisamment blindes pour s'affranchir de cette ventualit. la microgravimtrie : bien que trs dlicate mettre en uvre, cette mthode a t dploye par des professionnels en site urbain, de nuit pour limiter le bruit anthropique, et avec une bonne connaissance de la rpartition des masses environnantes (rseaux enterrs, btiments, etc.).

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la mthode sismique en ondes de surface : le niveau de bruit microsismique anthropique gne moins les mesures en ondes de surface, ondes trs nergtiques, que celles ralises par exemple en sismique rflexion haute rsolution. Cette mthode est en cours de dveloppement. En milieu rural, toutes les mthodes sont envisageables si les conditions d'application sont runies.

3. LES MTHODES GOPHYSIQUESEN FONCTION DU TYPE DE CAVITS 3.1 Les mthodes de tldtection pour la recherche de cavitsL'interprtation de clichs ariens (CA) permet de mettre en vidence des indices invisibles depuis la surface (affaissements, zones de drainage, etc.). La thermographie infrarouge (IR) rvle les contrastes de temprature apparente du sol, induits par des zones karstiques ou par les matriaux qui masquent les accs de certaines carrires (puits). Ces mthodes sont dployes gnralement pour des grandes superficies (champ, commune, voire dpartement).

3.2 Les mthodes gophysiques pour la recherche de cavits videsPour des vides sphriques en milieu homogne dont la profondeur du toit est de l'ordre du rayon, toutes les mthodes gophysiques de surface sont thoriquement susceptibles de les dtecter directement. La mthode thoriquement la plus fiable pour la recherche de cavits vides est la microgravimtrie, en milieu urbain ou en milieu rural. Des cavits une quinzaine de mtres de profondeur peuvent tre directement mises en vidence par cette mthode. Une cavit sphrique vide est dtectable tant que la profondeur de son toit nexcde pas son diamtre, en milieu homogne. Lorsque le milieu encaissant est suffisamment rsistant, en milieu urbain ou rural, le radar gologique permet la dtection de vides de quelques dcimtres quelques mtres de diamtre, jusqu' 10 20 m de profondeur si les conditions de mesure sont excellentes. Pour de plus grandes profondeurs (classiquement jusqu' 50 m), en milieu rural, la sismique rflexion haute rsolution (SHR) permet dans certains cas la dtection de vides, par effet de masquage des horizons rflecteurs sous-jacents. Pour ce mme type de cavit mais seulement pour des milieux tabulaires prsentant des vitesses croissantes avec la profondeur, jusqu' 20 30 m, la sismique rfraction peut parfois tre envisage. Pour des profondeurs infrieures 10 m, en milieu urbain, la sismique en ondes de surface laisse entrevoir de bons rsultats. Enfin, l'utilisation des mthodes lectromagntiques basse frquence en champ lointain en mode rsistivit (type RMT ou VLF-R) est parfois envisage en zone rurale pour la dtection grand rendement de cavits vides proches de la surface ou prsentant des remontes verticales vers la surface (type puits de carrires, chemines karstiques ou zones dcomprimes).

3.3 Les mthodes gophysiques pour la recherche de cavits conductricesPour les cavits sphriques conductrices en milieu homogne, dont la profondeur du toit est de l'ordre de 1,5 fois le rayon, les mthodes lectriques en panneau et les mthodes lectromagntiques basse frquence sont susceptibles de les dtecter directement. Si le milieu encaissant est suffisamment lectriquement rsistant, le radar gologique peut dtecter des poches conductrices de quelques dcimtres quelques mtres de diamtre pour des profondeurs de l'ordre de 10 20 m si les conditions de mesure sont excellentes.


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Les mthodes lectromagntiques basse frquence en champ lointain (type VLF, RMT) et en champ proche (deux boucles ou Slingram) sont les mthodes les plus indiques pour mettre en vidence des structures conductrices comme des remontes verticales vers la surface. Elles sont bien indiques pour rvler des structures karstiques dans les dix vingt premiers mtres en zone rurale. Au-del et jusqu' 50 m environ, l'interprtation devient plus dlicate et reste essentiellement qualitative. Les mthodes lectriques en panneau permettent une investigation locale du sous-sol. Des anomalies conductrices peuvent tre dtectes jusqu' 30 m de profondeur, mais ncessitent alors de grandes longueurs de dispositif. Elles apportent en revanche beaucoup d'informations sur la gologie du sous-sol (failles, pendages, stratification) et s'avrent trs utiles en milieu karstique.

3.4 Les mthodes pour la recherche de cavits non dtectables depuis la surfaceLorsque les cavits ne sont pas dtectables par des mthodes gophysiques de surface, on a recours aux forages. Ils sont en gnral accompagns de diagraphies. Si les forages n'ont pas travers de cavits, on peut avoir recours aux mthodes gophysiques de forage, pour augmenter leur rayon d'investigation. Elles se ralisent dans un seul forage, ou bien entre deux ou plusieurs forages, ou bien entre forages et surface. Les conditions d'applications sont analogues celles dcrites depuis la surface. Le critre prpondrant tant cette fois le rapport entre le diamtre de la cavit et la distance au forage. Les performances restent gnralement infrieures celles observes en surface en raison des conditions particulires de mesure. Les mthodes sismiques sont dlicates mettre en uvre en forage. Le rayon d'investigation des mthodes lectriques est limit par la profondeur du forage. Seules les mthodes lectromagntiques permettent la dtection de cavits vides ou conductrices des distances suprieures leur diamtre, condition que le terrain encaissant le permette.

4. CLASSEMENT DES MTHODES4.1 Efficacit des mthodes gophysiques de surface et des mthodes de tldtection en fonction du type des cavitsDans l'hypothse o les conditions d'application des mthodes sont runies, le tableau suivant propose un classement selon l'aptitude d'une mthode dtecter diffrents types de cavits. L'chelle est croissante de 1 pour la mthode la plus adapte 5 pour la moins adapte. < Remarque : L'interprtation de clichs ariens (CA) et la thermographie infrarouge (IR) < < sont prconises pour de grandes surfaces en milieu rural et avant le dploiement des < < mthodes gophysiques de surface. 14 carts sur les moyennes des reprises ( gal)

``` FIGURE 29 - Exemple de statistique sur les ponts de reprise sur le site test de la figure 15 (Document SNCF).

a. Avant creusement b. Aprs creusement c. Valeurs de b - Valeurs de a

``` FIGURE 30 Exemple de mesures microgravimtriques avant creusement de cavits de section carre de 2 m situes 1,5 m (note A) et 3,5 m (note B) de profondeur dans du limon (Document SNCF).

``` FIGURE 31 Exemple de mesures microgravimtriques aprs creusement de cavits de section carre de 2 m situes 1,5 m (note A) et 3,5 m (note B) de profondeur dans du limon (Document SNCF).

``` FIGURE 32 Exemple de mesures microgravimtriques (soustraction des valeurs aprs et avant creusement) au-dessus de cavits de section carre de 2 m situes 1,5 m (note A) et 3,5 m (note B) de profondeur dans du limon (Document SNCF).

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4. MODLISATIONToute structure gologique peut tre dcompose en une combinaison de volumes lmentaires (Fig. 33) : dv = dx dy dz en m-3 L'anomalie de gravit cre en surface au point M par l'lment de volume dv est donne par :d ( g ) = Gdv r2 cos

o est le contraste de masse volumique entre la structure et le milieu en kg.m-3, G la constante de gravitation universelle, r la distance entre le point de mesure M et l'lment de volume dv et l'azimut en degrs.

x M r = m - 0 dv dy dx z

y

m

dz

0

``` FIGURE 33 Dfinition du volume lmentaire pour le calcul de lanomalie gravitationnelle.

De cette formule, on peut par exemple calculer l'anomalie cre par une sphre l'aplomb du centre de la cavit :g = 4 (R + h ) R 3 G 3 ( x 2 + (R + h ) 2 ) 3 / 2

o R est le rayon de la sphre, h est la profondeur du toit et x la position en surface le long de l'axe (Ox). La figure 34 reprsente l'anomalie cre par une sphre et un cylindre infini vides, en fonction de la profondeur du toit et de la distance au sol. profondeur gale, l'anomalie cre par un cylindre vide est plus forte que celle d'une sphre vide. Si la dtectabilit est fixe 20 gal, on voit qu'audel d'une profondeur de toit de 3 m, la sphre de 2 m de rayon n'est plus dtectable. Le cylindre infini est dtectable plus grande profondeur. L'anomalie est alors trs tale. Dans un cas rel, cet talement se distingue mal des variations dues aux htrognits de masse du sol. La figure 35 contient quelques formules d'anomalies typiques (Reynolds, 2000), (Parasnis, 1986), ainsi que leurs variations qualitatives et les cavits qu'elles peuvent reprsenter.

Chapitre 4. La microgravimtrie

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``` FIGURE 34 a. Anomalie gravitationnelle cre par des vides sphriques en bleu et cylindriques en rouge. b. Anomalie cre par la mme sphre pour plusieurs profondeurs du toit. c. Anomalie cre par le mme cylindre pour plusieurs profondeurs du toit. En trait noir, la limite de dtectabilit est fixe 20 gal.

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x h r R

Cylindre infini g = 2R 2 G (R + h ) ( x + (R + h ) 2 )2

Exemples de cavits :g

Galerie, sapes, conduits karstiques

x 4 2 r1 r2 r4 g x 1 r3 3 d

Prisme infini r rr g = 2G x ln 1 4 + b ln 2 + D( 2 4 ) d (1 3 ) r1 r2 r3

D

Plaque infinie g = 2G[D d ] Exemples de cavits : Galerie, sapes, carrires (salles)x x

Cylindre vertical 2 g = 2G z 2 z1 + (z1 + R 2 ) (z 2 + R 2 ) 2

z1 R z2

g

Exemples de cavits : Puits de carrires, catiches

x

4 r3 r4 d D

x

Marche r g = 2G x ln 4 + (D d ) D 4 + d3 ) r3

g

Exemples dhtrognits : Failles verticalesx

```

FIGURE 35 - Quelques exemples danomalies gravitationnelles. Formules et reprsentations qualitatives.

Chapitre 4. La microgravimtrie

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5. CONCLUSIONLa microgravimtrie est la mthode la plus adapte la dtection des cavits vides, car elle permet de mettre en vidence directement les dfauts de masse. Comme pour l'ensemble des mthodes gophysiques, la localisation des cavits peut tre difficile et les anomalies mesures ne sont pas toujours corrles avec les rsultats des forages. Il faut prendre beaucoup de prcautions sur la manire de les implanter, et un nombre assez important de forages implants judicieusement est parfois ncessaire pour comprendre la complexit du milieu rel et affiner les modles. La microgravimtrie ncessite une mise en uvre rigoureuse vis--vis du maniement de l'appareillage, de l'implantation, des corrections et de l'interprtation des mesures. L'intervention de professionnels expriments est indispensable. Par ailleurs, la mthode reste coteuse en raison des prcautions qu'elle ncessite et de son rendement faible : 50 points de mesures en moyenne par jour.

RFRENCES BIBLIOGRAPHIQUES BERES M., LUETSCHER M., RAYMOND O., Integration of ground-penetrating radar and microgravimetric methods to map shallow caves, Journal of Applied Geophysics, Vol. 46, 2001, pp. 249-262. BICHARA M., ERLING J.-C., LAKSHMANAN J., Technique de mesure et d'interprtation minimisant les erreurs en microgravimtrie, Geophysical Prospecting, Vol. 29, 1981, pp. 782-789. CHOUTEAU M., Gophysique applique - Gravimtrie, Cours de l'cole polytechnique de Montral, 1999. DEBEGLIA N., DUPONT F., Some critical factors for engineering and environmental microgravity investigations, Journal of applied geophysics, Vol. 50, 2002, pp. 435-454. ICAG-94 (1995), Microgravimetric measurements at the 1994 International Comparison of Absolute Gravimeters, Metrologia, Vol. 32, pp.145-152. KAUFMANN R.D., DOLL W.E., Gravity meter comparison and circular error, Journal of environmental & engineering geophysics, Vol. 2, Issue 3, 1988, pp. 165-171. LAGABRIELLE R., Gophysique applique au gnie civil, Technique de l'ingnieur, 1998, C224. LAGABRIELLE R., Contributions la mise au point de quelques mthodes gophysiques appliques la reconnaissance en Gnie Civil, Universit des Sciences et Techniques du Languedoc, Thse d'tat soutenue le 22 janvier, 1986. LAKSHMANAN J., BICHARA M., ERLING J.-C., tude de fondement en terrain caverneux. Place de la gravimtrie, Bulletin de liaison des Laboratoires des Ponts et Chausses, 92, 1977, pp. 74-79. LAKSHMANAN J., Traitement et inversion des donnes gravimtriques, la microgravimtrie, son application aux recherches de vides, Mmoires Sciences de la Terre n 51, ditions de la fondation scientifique de la gologie et de ses applications, 1990. MAURIELLO P., PATELLA D., Localization of maximum-depth gravity anomaly sources by a distribution of equivalent point masse, Geophysics, Vol. 66, n 5, 2001, pp. 1431-1437. MEYER DE STADELHOFEN C., Applications de la gophysique aux recherches d'eau, Technique et Documentation, Lavoisier, 1991. MIRZAEI M., BREDEWOUT J.W., 3-D microgravimetry data inversion for detecting cavities, European journal of environmental and engineering geophysics, Vol. 1, 1996, pp. 249-270. NEUMANN R., La gravimtrie de haute prcision, application la recherche de cavits, Geophysical Prospecting, Vol. XV-1, 1967, pp. 116-134. PARASNIS D.S., Principles of applied geophysics, Chapman and Hall, Fourth edition, 1986. REYNOLDS J.M., An introduction to applied and environnemental geophysics, John Wiley and Sons, 2000. SYBERG, Geophysical prospecting, Vol. 20, 1972, pp. 47-75. YULE D.E., SHARP M.K., BUTLER D.K., Microgravimetry investigations of foundation conditions, Geophysics, Vol. 63, n 1, 1998, pp. 95-103. SAFEGE, Manuel qualit - Microgravimtrie, Dpartement Eau et Environnement, 20 INS 003, 2002.

Chapitre 5. Les mthodes sismiques

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Les mthodes sismiques

NotationsVp Vs Vr V Vq t SHR vitesse des ondes de compression (m.s-1) vitesse des ondes de cisaillement (m.s-1) vitesse des ondes de Rayleigh (ondes de surface) (m.s-1) vitesse de phase des ondes de surface (m.s-1) vitesse quadratique moyenne (m.s-1) coefficient de Lam coefficient de Poisson masse volumique (kg.m-3) temps de parcours sismique haute rsolution

1. GNRALITS SUR LES MTHODES SISMIQUES1.1 Les mthodes sismiquesLes mthodes de reconnaissance sismique en surface sont bases sur l'tude de la propagation des ondes mcaniques dans le sol. Ces ondes sont provoques en un point source par un choc (ou branlement) entretenu ou non. Lorsqu'elles rencontrent un contraste d'impdance mcanique, elles se rflchissent partiellement vers un point rcepteur o leurs caractristiques sont mesures et analyses pour tudier les proprits du sous-sol (Fig. 36). Pour la dtection de cavits souterraines, trois mthodes sismiques sont prsentes ici : la sismique rflexion haute rsolution (SHR) est la mthode sismique la plus indique pour la dtection de cavits, la sismique en ondes de surface est une mthode en cours de dveloppement, la sismique rfraction peut parfois aider la localisation de cavits en milieu tabulaire o le contraste des vitesses entre couches crot en fonction de la profondeur.

Chapitre 5

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Source

Rcepteurs (gophones)

V1 < V2 cavit

V1 V2 Ondes rflchies dans le milieu 1 Ondes transmises dans le milieu 2

Rflecteur

Ondes rfractes (si V1 < V2) Ondes directes (volume + surface)

```

FIGURE 36 - Principe des mthodes sismiques.

1.2 Les diffrents types d'ondes sismiquesLes ondes sismiques sont principalement de deux types : les ondes de volume (ondes de compression : ondes P, et ondes de cisaillement : ondes S) et les ondes de surface (ondes de Rayleigh et ondes de Love). Les caractristiques des fronts d'onde sont reprsentes sur la figure 37. Les dformations provoques par la propagation de ces ondes sont reprsentes sur la figure 38 et sont issues des reprsentations classiques que l'on trouve par exemple dans (Henry, 1994) et (Reynolds, 2000).

Les ondes de volume

Premier type : les ondes P, ou ondes primaires, sont aussi appeles ondes de compression ou ondes longitudinales. Le dplacement du sol qui accompagne leur passage se fait par dilatations et compressions successives, paralllement la direction de propagation de londe. Ce sont les plus rapides ; leur vitesse est gale Vp = Lam et la masse volumique du matriau. Second type : les ondes S ou ondes secondaires, sont aussi appeles ondes de cisaillement ou ondes transversales. leur passage, les mouvements du sol seffectuent perpendiculairement au sens de propagation de londe. Ces ondes ne se propagent pas dans les milieux liquides. Leur vitesse est plus lente que celle des ondes P ; elle est gale Vs = . + 2 o et sont les coefficients de

Les lois de propagation des ondes de volume sont similaires aux lois de l'optique (lois de la rflexion et de la rfraction de Snell-Descartes (Fig. 39). Leurs trajets peuvent tre trs complexes. Leur temps de parcours dpend du trajet qu'elles empruntent.


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Impact r-2 r-2 Ondes de surface Composante verticale Composante horizontale r-1/2

r-1

Ondes de cisaillement

r-1

r-1

r-1

Ondes de compression

```

FIGURE 37 - Fronts donde gnr par une source ponctuelle dans un milieu semi-infini, homogne, lastique et isotrope.

a)

c)

b)

d)

``` FIGURE 38 Dplacement particulaire des ondes de volume : a. Ondes de compression - b. Ondes de cisaillement. Dplacement particulaire des ondes de surface : c. Ondes Rayleigh - d. Ondes de Love.

1 = '1 sin 1 sin 2 = V1 V2 V1 V2

1

'1

``` FIGURE 39 Lois de Snell-Descartes.

2

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Les ondes de surface

Ce sont des ondes guides par la surface du milieu. Leur effet est comparable aux rides formes la surface de l'eau. Elles sont moins rapides que les ondes de volume mais leur amplitude est gnralement plus forte. Les ondes de surface s'attnuent de faon exponentielle avec la profondeur. Leur profondeur de pntration est de l'ordre de leur longueur d'onde. Les petites longueurs d'onde voyagent une vitesse qui dpend des premires couches de matriaux tandis que les grandes longueurs d'onde renseignent sur le matriau plus en profondeur. Leur vitesse de propagation dpend de la frquence : elles sont dispersives. Les ondes de Rayleigh : ces ondes de surface sont utilises en gnie civil pour la dtection de cavits proches de la surface. Cette mthode est en cours de dveloppement et les rsultats partiels sont prsents. Leur dplacement est elliptique, semblable celui d'une poussire porte par une vague. Leur vitesse est une fonction complexe de la densit et des vitesses des ondes de volume. < < < < < < < < < < Remarque : Il existe d'autres types d'ondes comme les ondes de Love, plus rapides que les ondes de Rayleigh et qui ont un dplacement semblable celui des ondes S dans le plan horizontal, ou comme les ondes de plaque ou ondes de Lamb qui apparaissent dans les milieux ayant une paisseur voisine de la longueur d'onde.

2. LA SISMIQUE RFLEXION HAUTE RSOLUTION2.1 PrincipeLa sismique rflexion haute rsolution (SHR) est l'tude de la propagation des ondes de volume (ondes P et ondes S) gnres par une source sismique artificielle et de leurs interactions (essentiellement la rflexion, et dans une moindre mesure les phnomnes de diffraction) avec les htrognits rencontres dans le sous-sol (Fig. 40). Le domaine frquentiel concern en gnie civil est de l'ordre de la dizaine de hertz quelques centaines de Hertz.

Grandeurs mesures

Les grandeurs mesures sont prsentes en sismogrammes bruts. Pour une position de la source sur le profil, ils reprsentent en coordonnes verticales la variation des amplitudes en fonction du temps de propagation (gnralement mesur en secondes ou millisecondes) des ondes dans le sol et en coordonnes horizontales, la distance entre la source et les gophones. Les amplitudes associes aux interactions des ondes avec les htrognits du sous-sol sont reprsentes en plan (sinusode, wiggle en anglais), quelquefois en niveau de couleur.

Rsultats attendus : dtection de cavits par sismique rflexion haute rsolution

Le premier rsultat attendu est un sismogramme trait appel la coupe temps (Fig. 40). Elle reprsente les temps et les amplitudes des ondes sismiques dans le sol en fonction de la position en surface d'un dispositif o chaque source et chaque rcepteur seraient confondus. Ces traitements sont complexes et doivent tre raliss avec beaucoup de prcaution. Le second rsultat est galement issu de traitement : c'est la coupe profondeur (Fig. 40). Elle reprsente la profondeur de pntration et les amplitudes des ondes dans le sol en fonction de la position en surface d'un dispositif o chaque source et chaque rcepteur seraient confondus. Cette coupe est obtenue en calculant les vitesses entre couches, lesquelles sont dduites de la vitesse quadratique moyenne des ondes dans le sol. Des traitements complmentaires comme la migration des coupes sismiques, technique initialement utilise pour replacer les rflexions inclines en bonne position (Lavergne, 1986) apportent des renseignements supplmentaires sur la position et l'extension des cavits.


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a) Principe pour 1 tir Tir z d (m) 10 12 14 16 18 20 22

b) Sismogramme brut pour 1 tir d (m) 10 12 14 16 18 20 22

Cavit

Masquage de l'horizon rflecteur Hyperbole

Horizon rflecteur Profondeur (m) t (ms)

d) Coupe profondeur 10 12 14 16 18 20 22 d (m)

c) Coupe temps obtenue pour plusieurs tirs et aprs traitements d (m) 10 12 14 16 18 20 22

Masquage de l'horizon rflecteur z0

z (m)

t (ms)

``` FIGURE 40 - Principe de la sismique rflexion haute rsolution. a. Reprsentation du trajet des ondes sismiques pour un tir. b. Reprsentation dun sismogramme brut. c. Coupe temps. d. Coupe profondeur avec effet de masquage associ la prsence dune cavit.

Dtection de cavits Le cas le plus souvent rapport est la dtection de cavits en milieu tabulaire (carrires exploites dans des bancs calcaires ou gypseux, mines) (Piwakowski et al., 1997 ; P, 1998, 2000) et (Grandjean, 2002). En effet, dans un milieu multicouches sans cavit, le sismogramme idal prsentera un signal dont les amplitudes maximales correspondent aux interfaces entre couches gologiques. Si une carrire est prsente dans une couche, elle a en gnral t exp

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