Introduction

Introduction

Il est ncessaire lors de la conception de dlimiter les risques qui peuvent subvenir pour un trac donn.Une fois le choix du trac effectu, on doit encore essayer de dterminer les paramtres qui vont caractriser les sols traverss et trouver des lments qui par leurs prsences pourraient poser des problmes pendant la construction.Les mthodes in situ sont aussi bien adapt pour donner des ordres de grandeur pour les paramtres des sols que pour rvler la prsence d'lment gnant.

On peut regrouper ces essais comme suit :

Mthodes gophysiques : Prsentation des quatre grandes familles de mthodes de la gophysique, on trouve quelques exemples de mthodes gophysiques que vous pourriez tre amen rencontrer ou utiliser pour faire de la reconnaissance.

Sondages et diagraphies : Prsentation des sondages et des diagraphies et de l'intrt de ses essais.

Essais d'eau : Dupuit, Lefranc, Lugeon, Nasberg et pizomtres.

Essais par fonage : CPT, essai dilatomtrique, essai pressiomtrique, essai scissomtrique, SPT.

Description des principes de base des mthodes sismiques

Il y a 4 grandes mthodes en sismiques :

La sismique rfraction La sismique rflexion La sismique transmission La sismique des ondes de surface

Quelque soit la mthode utilise, on retrouve le mme type d'appareillage dans les dispositifs exprimentaux des mthodes sismiques.

L'appareillage

Quelle soit la mthode sismique, on retrouve un certain nombre d'lments communs dans les dispositifs exprimentaux :

la source,

le rcepteur,

l'enregistreur.

Ces lments sont vitaux pour les mthodes sismiques : il est utile de rappeler leurs caractristiques et sur quels critres sont faits les choix de slections entre diffrents appareils ayant la mme fonction.

La source

Une source sismique est dfinie par trois caractristiques :

sa puissance,

sa frquence dominante,

sa position (enterre ou en surface).

Voici un tableau qui contient quelques exemples de source.

PositionTypeExemple

Sources de surfaceImpactMarteau, chute de poids

ProjectileFusil balle, betsy seigun

VibrateurMinivib

Sources enterresImpactMarteau, chute de poids

ExplosifCordeau dtonateur, dynamite

Non-explosifFusil cartouche, Sparker

Exemples de source :

Source [49]

Le rcepteur

Il peut tre de deux types :

gophone,

acclromtre.

Les acclromtres sont des capteurs d'acclration. Ils permettent de mesurer lacclration du sol. Ils sont constitus, dans le cas de ceux qui mesurent lacclration horizontale, dune masse importante qui est suspendue un fil qui va indiquer sur une feuille les mouvements du socle de la machine qui est fixe au sol.Les acclromtres peuvent aussi donner la valeur de lacclration verticale.

Les gophones sont des dtecteurs qui transforment l'nergie des ondes sismiques en nergie lectrique.Les gophones peuvent tre monoaxiaux verticaux ou triaxiaux. Les gophones monoaxiaux sont utiliss quand on ne dsire avoir des informations que sur les ondes-P, les gophones triaxiaux mesurent les dformations dans les trois directions la surface ce qui permet de dissocier les rponse des ondes P de celles des ondes-S. Un gophone en sismique se comporte comme un filtre passe-haut, il est donc caractris par une frquence de coupure.

Exemple de rcepteur :

Source [49].

L'enregistreur

Les enregistreurs sismiques ou sismographes permettent l'enregistrement des signaux sur un certain nombre de voies (cela va d'une voie jusqu' plusieurs centaines pour certains dispositifs). Les caractristiques qui permettront de faire le choix d'un sismographe sont :

la valeur du pas d'chantillonnage;

l'amplificateur virgule flottante et convertisseur analogique/numrique;

la valeur de sa frquence de coupure;

la possibilit de filtrage passe-bas, passe-haut ou passe-bande;

la possibilit d'additionner les tirs;

les diffrents moyens de sauvegardes.

Exemple d'enregistreur :

Source [49].

La sismique rfraction

Dans un milieu multicouche o les vitesses sismiques sont croissantes avec la profondeur, il existe un angle critique c au-del duquel les ondes ne sont plus rfractes. Les ondes qui se prsentent l'interface avec un angle de c, seront rfractes suivant l'interface entre couches et des ondes seront mises vers la surface suivant ce mme angle critique. (Lois de Snell-Descartes)

Avec :

Schma de principe :

Source [49].

Le principe de la sismique rfraction est de ne considrer que le premier pic arriver sur les rcepteurs, si les couches du sol ont des vitesses sismique croissante avec la profondeur, on aura des trajectoires qui passent dans des couches de vitesse sismique plus rapide qui auront un temps d'arriver plus court que les ondes directs partir d'une certaine distance (distance critique Xc sur le schma) entre la source et le rcepteur.

La sismique rfraction est principalement utilise dans deux cas :

la recherche et le suivi de l'volution de la position d'un substratum sous une couverture meuble,

la caractrisation de l'tat physique des diffrentes zones du massif rocheux grce la connaissance des vitesses sismiques de ces zones.

Cette mthode est bien adapte pour la reconnaissance faible et moyenne profondeur (profondeur maximum aux environs de 200m).

Vous trouverez dans la section "Programmes" , des programmes sur la sismique rfraction.

La sismique rflexion

Les ondes sismiques sont rflchies par chaque interface sparant des terrains de vitesse sismique diffrentes (voir Loi de Snell-Descartes) et l'nergie de la rflexion dpend du rapport des vitesses de part et d'autre de l'interface. L'nergie de l'onde rflchie est important dans le cas d'un substratum rocheux sous un recouvrement morainique ou alluvionnaire.

Si on veut reprer des objets (ou des cavits) dans le sol, la rsolution va dpendre de la frquence dominante de la source, ce qui explique pourquoi on utilise souvent les explosifs ( grande frquence), ce qui ncessite de grande protection d'emploi.

Schma de principe :

Source [48].

La sismique transmission

Ces mthodes sont gnralement utilises en forage (" Down-Hole", "Up-Hole", "Cross-Hole",... ).

On mesure la vitesse des ondes (compression, cisaillement si possible) et l'on peut dterminer partir des vitesses sismqiues, les caractristiques du sol (voir les relations dans Notions thoriques fondamentales) que ces ondes ont travers.

La sismique des ondes de surface

Depuis les annes 1980, il y a eu un grand dveloppement des mthodes d'ondes de surface. L'intrt pour ces mthodes est fort vu que ce sont les ondes de surface qui possdent la plus grande part de l'nergie d'un choc, et qu'elles perdent moins vite leur nergie en surface.

Le principe de ces mthodes est d'enregistrer le signal reu par une srie de rcepteur. Une fois l'ensemble des mesures faites, on va crer la courbe de dispersion du signal (frquence en fonction de la vitesse de phase), gnralement cette courbe est faite l'aide d'une transform de Fourier.La deuxime tape dans la modlisation, consiste gnrer un model de sol (diffrentes paisseurs de sol avec des vitesses sismiques dtermines) et de comparer la courbe de dispersion de cette modlisation avec la courbe de dispersion trouve par les essais. S'il y a une diffrence on change le modle et on recommence. Cette procdure s'appelle dtermination par le problme inverse.Le rsultat final est souvant prsent sous la forme du graphique de la vitesse sismique en fonction de la profondeur pour une position donne.

Schma de principe :

Notions thoriques

Les notions fondamentales que le doit connatre en sismique sont :

type de milieu tudi; type d'ondes rencontres.(un rappel sur les pertes est fait la fin).

Type de milieu tudi

La sismique n'est que la propagation du champ de contrainte l'intrieur d'une structure (sol, roche, ouvrage d'art). On peut tout aussi justement dire que c'est la propagation du champ de dformation. Cela implique de faire des hypothses sur le matriau constitutif de la structure pour dcrire de la manire la plus adquate le milieu dans lequel l'onde se propage.

Milieu lastique-linaire

En premire approximation, on peut considrer le sol comme un milieu lastique-linaire.

La mcanique thorique montre que les corps solides prsentent des comportements diffrents suivant l'intensit des forces extrieures qui tentent de les dformer. Dans le domaine des petites dformations, le modle lastique est largement applicable la plus grande gamme des solides habituellement rencontrs.Le plus simple des modles lastiques est le modle lastique linaire, homogne et isotrope :

l'lasticit exprime qu'il y a un rapport bi-univoque entre la contrainte exerce sur un corps et sa dformation;

la linarit exprime que pour une contrainte dtermine la dformation d'un corps lastique est directement proportionnelle cette contrainte;

l'homognit exprime qu'en tout point du corps ce rapport contrainte-dformation ne change pas, ce qui ne signifie nullement qu'il est le mme dans toutes les directions;

l'isotropie exprime que ce rapport est indpendant de la direction.

Une des caractristiques du comportement lastique est que lorsque l'on retire la contrainte applique le corps revient dans son tat initial. Du fait de la linarit, on peut appliquer le principe de superposition, c'est--dire que les diffrentes dformations s'additionnent linairement pour obtenir une dformation totale. On peut reprsenter le modle lastique par un ressort linaire qui se dforme d'une manire directement proportionnelle la force exerce et qui reprend sa forme initiale lorsqu'on enlve cette force.

Cette approximation est d'autant plus intressante, si on ne dsire pas tenir compte des phnomnes dissipatifs, par la relative simplicit des quations qui en dcoulent.

O : et sont les paramtres de Lam;

E est le module de Young; est le coef de poisson; est la densit du matriau;f sont les forces de volume; u est le vecteur dplacement.

Type d'ondes rencontres

Si on cherche les solutions de ses quations, on remarque qu'il y en a de deux grands types :

les ondes de volume;

les ondes de surface.

Les solutions sous forme d'ondes de volume existent toujours, mais les ondes de surface ncessitent que si l'on rajoute une interface qui limite le milieu (c'est sur cette interface que vont apparatre les ondes de surface).

Les ondes de volume

Les ondes de volume sont de deux types les ondes de compression (onde P) et les ondes de cisaillement (onde S).

Reprsentation des ondes P :

Reprsentation des ondes S :

Leurs vitesses dpendent des caractristiques du milieu et valent :pour les ondes de compression.pour les ondes de cisaillement.Leur rapport vaut : , or est compris entre 0 et 0.5, cela implique que VP>VS.

Les ondes de surface

On peut trouver un autre type de solution si on rajoute deux hypothses l'quation d'quilibre :

recherche d'une solution de forme exponentielle,

on limite le domaine un demi-espace (on introduit alors, qu'il n'y a pas de contraintes la surface libre de ce demi-espace).

Ce rajout permet de trouver les ondes de surface qui sont de deux types :

onde Rayleigh :

et onde de Love :

La vitesse des ondes de Rayleigh est relie la vitesse des ondes de cisaillement par :

Ce qui nous donne que VS>VR.

Les pertes et la rpartition de l'nergie d'un choc

A titre indicatif voici un tableau qui donne la rpartition de l'nergie en fonction du type de l'onde.

Type de l'onde% de l'nergie total

Onde de surface67

Onde de cisaillement26

Onde de compression7

Si on ne regarde que l'interface du milieu (le sol), les ondes perdent petit petit leur nergie. Cette perte dpend de la nature de l'ondes, pour les ondes de volume elle diminue comme r2 et pour les ondes de surface elle diminue comme r-1/2.

Source : [48].

Exemples

Liste non exhaustive de mthodes de cette famille :

Remarque : la plupart des mthodes utilises en exemple et la fiche qui leurs sert de prsentation viennent de la rfrence [47].

Base sismique M.A.S.W Sismique haute rsolution Sismique ondes de cisaillement Sismique rflexion aquatique Sismique rfraction aquatique Sismique trs haute rsolution Sonar latralEn forage :

Sondage sismique Profil sismique vertical Sismique "Down-Hole"/"Up-Hole" Sismique "Cross-Hole" Sismique parallle Sismique ondes de tubeDiagraphies :

Diagraphie microsismique Diagraphie sonique Diagraphie sonique multiparamtres Imagerie acoustique