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L’essai Cross-Hole

L’essai Cross-Hole consiste à mesurer les temps de propagation des ondes sismiques de compression (ondes P) et de cisaillement (ondes S) entre plusieurs forages afin de déterminer, en fonction de la profondeur, leurs vitesses sismiques Vp et Vs ainsi que les paramètres géodynamiques que sont le module d’Young, E, le module de cisaillement G et le coefficient de Poisson n.

A partir des vitesses de l’onde de cisaillement Vs, on peut déterminer, si on dispose de forages assez profonds, la vitesse harmonique moyenne Vs30, dans les 30 premiers mètres de sol telle que définie dans l’Eurocode 8.

L’essai Down-Hole est une variante de l’essai Cross-Hole dans laquelle l’onde sismique est générée en surface, à proximité immédiate du forage dans lequel sont mesurées les arrivées d’ondes de compression et de cisaillement. La source de surface est spécialement adaptée pour générer des ondes de cisaillement en plus des ondes de compression. L’interprétation et la restitution des résultats sont similaires à celles des essais Cross-Hole. En cas d’anisotropie marquée, les paramètres ainsi déterminés peuvent être notablement différents des paramètres déterminés par les essais Cross-Hole.

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Les essais sont en général réalisés depuis la surface jusqu’au fond des forages avec un pas variable suivant les objectifs de l’étude mais typiquement d’un à cinq mètres suivant la profondeur des forages et la puissance des couches géologiques. On réalise la mesure entre une sonde sismique 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 trois forages en ligne afin de mesurer les vitesses des ondes de compression et de cisaillement par différence entre les deux forages récepteurs, en s’affranchissant de la source génératrice d’erreurs de mesure. Cependant , dans de nombreux cas, l’essai se pratique entre deux forages.

La source sismique, disposée dans le forage « émetteur » comporte une masse sismique mobile et un dispositif de plaquage pneumatique. En frappant alternativement vers le haut et vers le bas, la source produit alternativement une onde S polarisée vers le haut puis vers le bas en même temps que l’onde P, qui est elle non polarisée. L’onde S est ainsi mieux identifiée dans le train d’ondes. La masse et la sonde sont munies d’un capteur de déclenchement qui est relié à l’enregistreur et permet la synchronisation du choc et du déclenchement de l’enregistrement.

Les ondes sismiques sont mesurées dans les forages « récepteurs » à l’aide d’une sonde sismique réceptrice également plaquée à la paroi du forage par un système d’ancrage. Les sondes comportent un ensemble de trois capteurs orientés à 90° les uns des autres (un vertical et deux horizontaux disposés à 90° l’un de l’autre). Cette disposition de capteurs permet, lors de l’essai Cross-Hole, une bonne identification des trains d’ondes S, qui sollicitent principalement le capteur vertical, et des trains d’ondes P qui sollicitent principalement les capteurs horizontaux. C’est l’inverse dans le cas de l’essai Down-Hole. Les sondes réceptrices sont reliées à l’enregistreur sismique par un câble de mesure. Les mesures sont effectuées à différents niveaux de profondeur, typiquement tous les mètres ou tous les deux ou trois mètres, afin d’obtenir une coupe des vitesses des ondes P et S en fonction de la profondeur.

La figure ci-dessous illustre un exemple d’enregistrement à une profondeur donnée. Les paramètres géodynamiques sont ensuite calculés en utilisant les relations suivantes:

Module d’Young, exprimé en MPa : E = 2 r Vs² (1 + n)

Module de cisaillement, exprimé en MPa : G = r Vs²

Coefficient de Poisson, nombre sans unité : n = (Vp²-2Vs²) / 2 (Vp² – Vs²)

Vs,30 = 30/ S Hi/Vs,i avec Hi, Vs,i épaisseur et vitesse Vs de la couche i sur les 30 premiers mètres

Vp et Vs sont respectivement les vitesses des ondes de compression et de cisaillement et sont exprimées en mètre par seconde (m/s). Le calcul de E et de G nécessite de connaître ou de faire une hypothèse sur la masse volumique r des terrains traversés.

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Hormis dans le cas où le forage est effectué en terrain rocheux et ne présente aucun risque d’éboulement ou de coincement de la sonde, la réalisation des essais Cross-Hole et Down-Hole nécessite la mise en place d’un tubage PVC de protection afin d’éviter tout éboulement sur la sonde et son coincement. Le tubage, de diamètre intérieur 80 mm, et d’épaisseur 4 à 5 mm, doit être scellé à la paroi du forage au coulis de ciment sur toute la hauteur. Il doit être bouché en pied et étanche, les tubes devant être à raccords vissés et collés. De la qualité du scellement dépend en partie la qualité des résultats des essais. Les essais doivent être réalisés au plus tôt une semaine après la réalisation des sondages afin que le coulis atteigne une résistance mécanique suffisante. Des mesures de déviation des forages sont réalisées en même temps que les essais Cross-Hole pour connaître précisément la distance entre la source et les capteurs à chaque niveau d’essai.