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ESSAIS SISMIQUES CROSS HOLE, DOWN HOLE ET MASW

INNOGEO® réalise l’essai sismique Cross Hole pour la détermination des paramètres dynamiques du sol dans le cadre des calculs d’interaction sol-structure, et plus particulièrement encore en cas de risque de liquéfaction des sols au droit d’un ouvrage, notamment dans le cadre des prescriptions de l’Eurocode 8

Les expérimentations et retours d’expérience récents ont entraîné de nouveaux développements de la méthodologie d’acquisition et d’interprétation de l’essai. Ces développements ont débouché sur une nouvelle procédure d’essai, avec utilisation de différentes sources sismiques et combinant l’essai Cross Hole à d’autres essais sismiques : Down Hole, Up Hole, Tomographie, MASW. L’interprétation conjointe de l’ensemble des données (géologie, sondage, laboratoire, géophysique) permet de contraindre le modèle sismique de sol et de fiabiliser ainsi les résultats de l’essai Cross Hole.

Principe essai_tripletforagesL’essai Cross Hole consiste à mesurer les temps de propagation des ondes sismiques de compression (P) et de cisaillement (S) entre plusieurs forages, afin de déterminer, en fonction de la profondeur, leurs vitesses et les paramètres géodynamiques : module d’Young E, module de cisaillement G, coefficient de Poisson n et vitesse harmonique Vs30 définie par l’Eurocode 8.

L’essai est réalisé avec un pas de profondeur le plus souvent égal à 1 m, mais qui peut varier selon le projet, typiquement entre 0.5 et 5 m. La mesure est réalisée entre une sonde émettrice placée dans un forage émetteur et une ou plusieurs sondes réceptrices placées à la même profondeur dans les forages récepteurs.

L’essai se fait idéalement avec 3 forages alignés. En cas d’anisotropie, deux forages disposés perpendiculairement complètent le dispositif. La distance entre forages adjacents ne doit pas excédée 4 m.

 

Signaux sismiques Cross HoleLes temps d’arrivée des ondes P et S sont mesurés dans les forages récepteurs à l’aide de sondes sismiques réceptrices plaquées à la paroi du forage. Les sondes comportent trois capteurs disposés en trièdre à 90° (un vertical et deux horizontaux). Les mesures, effectuées à différentes profondeurs, permettent d’obtenir la coupe verticales des vitesses des ondes P et S.

Les sources sismiques
  • Source mécanique de type Ballard plaquée au forage, dans laquelle une masse sismique mobile génère une onde S énergétique successivement polarisée vers le haut et vers le bas, en même temps qu’elle génère une onde P peu énergétique, non polarisée;
  • Source piézo électrique de type Sparker, comportant un générateur produisant une onde mécanique dans le sol. Deux sondes différentes permettent de générer des ondes P ou des ondes S. La source sparker S comporte un dispositif de plaquage pneumatique.

Source sismique BallardSource sismique Sparker P

Source sismique Sparker S

 

 

 

 L’équipement des forages

L’essai Cross Hole nécessite le scellement de tubages PVC (int. 80 mm/ ext . 90 mm) dans les forages, afin d’éviter tout coincement de la sonde. La qualité du scellement impacte directement la qualité des signaux. L’essai est réalisé au plus tôt une semaine après les scellements. La déviation des forages est mesurée pour calculer la distance source – capteurs. On notera la possibilité de contrôler les scellements par diagraphie afin de vérifier le couplage mécanique tubage terrain. En effet,  il est toujours délicat, en cas de difficultés, de faire la part entre des scellements perfectibles et des hétérogénéités réelles des terrains.

La réalisation de l’essai Cross Hole se conforme à la fiche AGAP Qualité 92.1 SIS 25 (SISMIQUE « CROSS HOLE ») ainsi qu’à la norme américaine ASTM D 4428/D 5528 M (Standard Test Methods for Crosshole Seismic Testing).

Le développement et l’amélioration de la méthodologie

L’essai Cross Hole, dans la pratique, peut être limité par la géologie (qualité géomécanique, réfraction des ondes, pendage des couches, aliasing spatial pour les couches de faible épaisseur) et par les forages (couplage mécanique tubage / terrain). La méthodologie a évolué ces dernières années en s’appuyant sur l’évolution des sources sismiques et en couplant différents essais (Down Hole, Up Hole, tomographie, Masw). Ces développements visent à assurer des résultats de qualité en palliant les limites décrites précédemment.

Le choix des sources sismiques dépend de la mesure des ondes P et S. La source Ballard est dédiée à l’obtention des ondes S ; une source Sparker P (voir Figure 2) est utilisée pour les ondes P. Cette source est mise en œuvre dans des forages remplis d’eau contrairement à la source Ballard pour laquelle le forage doit être vide d’eau. Une source sismique Sparker S peut être mise en œuvre pour les ondes S mais notre expérience montre que cette source est surtout adaptée aux terrains rocheux de vitesse élevée.

Les essais complémentaires sont mis en œuvre afin d’apporter des informations pour parfaire le traitement de l’essai Cross Hole :

  • Essai Down Hole, pratiqué dans un ou plusieurs des forages Cross Hole, pour caractériser l’hétérogénéité des terrains ;
  • Essai Up Hole, pratiqué au cours de l’essai Cross Hole, pour identifier des hétérogénéités liées aux terrains de surface (présence de réseaux par exemple ou terrains remblayés) ;
  • Tomographie, en post traitement pour identifier les réfractions
  • Essai Masw, pour contraindre les modèles calculés en Cross Hole.
Le traitement de l’essai Cross Hole

Le traitement consiste à calculer la vitesse de l’onde directe P ou S entre forages, avec prise en compte de leurs déviations. Cependant, s’appuyer uniquement sur le calcul de l’onde directe conduit à ne pas prendre en compte d’éventuels phénomènes de réfraction au niveau des interfaces, se produisant en cas de forts contrastes de vitesse mais aussi en cas de distances importantes entre forages importants.

La norme américaine ASTM D 4428/D 5528 M propose une méthode empirique fondée sur l’analyse des variations de vitesse pour corriger l’effet des réfractions. Cependant il apparait plus judicieux de réaliser une inversion sismique pour calculer les vitesses vraies et vérifier l’existence de réfractions. L’inversion est réalisée avec comme modèle d’entrée les vitesses calculées pour les trajets directs (voir Figure 5).

Les essais complémentaires apportent des données supplémentaires d’ajustement du modèle de vitesse. L’essai Down Hole permet notamment de déterminer un modèle de vitesse, qui,  comparé au modèle Cross Hole, aide à définir un modèle sismique synthétique de sol.

La réalisation de l’essai Cross Hole a évolué ces dernières années par l’intégration de nouveaux matériels et grâce à une nouvelle méthodologie d’acquisition et de nouveaux traitements.

Ces avancées ont permis d’améliorer l’essai afin d’apporter des résultats fiables et conformes aux exigences du projet, c’est-à-dire un modèle sismique de terrain synthétique utilisable directement dans les calculs d’interaction sol-structure et de risque de liquéfaction des sols, en cas de sollicitation sismique ou vibratoire.