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Eurocode 8 | Détermination de la classe de sol par méthode sismique

Principe

L’Eurocode 8 qui intervient dans le cadre de la conception et le dimensionnement des structures pour leur résistance aux séismes permet de classifier les sols dans le cadre de l’étude du risque de liquéfaction des sols en cas de séisme. Pour cela, l’Eurocode 8 se base sur le calcul de la moyenne harmonique des vitesses des ondes de cisaillement sur les 30 premiers mètres de sol : paramètre VS,30.

La géophysique permet, via les méthodes sismiques, de déterminer la vitesse des ondes de cisaillement et donc de classifier les sols sur la base du tableau présenté ci-après. Deux méthodologies sont possibles : soit une mesure directe des vitesses depuis des forages réalisés jusqu’à une profondeur adaptée au projet et à minima de 30 m, soit une détermination indirecte via des mesures de surface.

Eurocode 8 | Chapitre 3.2 | Tableau de classification des sols
La mesure directe

Deux méthodes géophysiques sont mises en œuvre pour la mesure directe des ondes de cisaillement :

  • Le Cross Hole ;
  • Le Down Hole ;

Ces deux méthodes sont mises en œuvre depuis des forages. Les forages doivent être équipés de tubages PVC de diamètre adapté au matériel de mesure. Les tubages doivent être scellés, par tubes plongeurs, sur toute leur hauteur au coulis de ciment ou par tout procédé assurant une cimentation parfaite. Ils doivent être bouchés en pied et étanches. Les raccords doivent être lisses, vissés et collés de façon qu’aucun matériau ne puisse y pénétrer. Les tubages doivent être nettoyés et remplis à l’eau claire et doivent rester en eau le temps de la cimentation (1 semaine minimum). La qualité des scellements peut influer de façon importante la qualité des essais, jusqu’à les rendre inexploitables dans les cas extrêmes. Un soin tout particulier devra donc leur être accordé. Un contrôle de la cimentation par diagraphie peut être réalisé pour valider celle-ci.

Le Cross Hole

Le Cross Hole est la méthode la plus précise. En effet, elle correspond à des mesures entre forages à une profondeur donnée. Les règles de l’art recommandent un système à trois forages alignés avec une inter-distance des forages entre 3 et 5 mètres suivant les vitesses attendues. La mise en œuvre dans un système à trois forages permet de fiabiliser la mesure du temps de trajet de l’onde et donc le calcul des vitesses.         
En pratique, une source permettant d’émettre le type d’onde désirée est mise en place dans l’un des forages extérieurs et l’onde ainsi générée est acquise par des capteurs positionnés à la même altitude dans les deux autres forages. Le temps de transit de l’onde est ainsi mesuré et la vitesse de cette onde est calculée sur la base de la distance entre le forage émetteur et le forage récepteur. Pour ce faire la déviation du forage par rapport à la verticale est mesurée et la distance entre forages peut être calculée pour chaque niveau de mesure.

Exemple de logs sismiques Cross Hole en ondes de compression (à gauche) et en ondes de cisaillement (à droite)

Le Down Hole

Le Down Hole correspond à la mesure du temps de trajet des ondes sismiques entre une source sismique positionnée en surface, en général un bastaing bois heurté par une masse à main, et un capteur positionné dans le forage. Il présente l’intérêt d’être moins couteux, du fait de la réalisation d’un seul forage, mais peut être plus limité en termes de profondeur d’investigation dans le cas de terrains amortissant les ondes sismiques.
Le calcul des vitesses sismiques est basé sur un trajet rectiligne des ondes sismiques entre la source et le capteur alors qu’en réalité, du fait de la loi de Snell-Descartes, les trajets vont être impactés par chaque transmission au niveau des interfaces du terrain. Les vitesses sismiques ainsi obtenues peuvent présenter une incertitude qui peut être corrigée par le traitement des résultats à l’aide d’un logiciel d’inversion sismique.

Exemple de logs sismiques Down Hole en ondes de compression (à gauche) et en ondes de cisaillement (à droite)
La détermination indirecte

Afin de s’affranchir de la réalisation de sondages mécaniques, il est possible de déterminer les vitesses des ondes sismiques depuis la surface par la mise en œuvre de méthodes géophysique telles que la sismique réfraction ou la Masw (Multiple Analysis of Surface Waves). Ces méthodes se basent sur l’acquisition des ondes sismiques sur des dispositifs de surface.

Il est à noter que ces méthodes nécessitent pour atteindre des profondeurs d’investigation, suffisantes pour pouvoir calculer le paramètres VS,30, de déployer des dispositifs de longueur importante (a minima 120 ml). De plus, comme indiqué précédemment, les vitesses sismiques ne sont pas calculées directement mais déterminées par l’interprétation des mesures réalisées.

La sismique réfraction correspond à la mesure directe des temps de trajet des ondes qui se réfractent aux interfaces du terrain. Ainsi l’interprétation des mesures de sismique réfraction permet d’obtenir une coupe de la variation des vitesses sismiques au droit du profil de mesure, sous réserve que les vitesses augmentent avec la profondeur. Suivant le type de capteurs et de source sismique, on peut ainsi mesurer des ondes de compression et/ou de cisaillement. Par contre, les profondeurs d’investigation peuvent être limitées par les contrastes de vitesse en présence.

Exemple d’une coupe sismique réfraction en ondes de compression

La Masw correspond à l’étude de la propagation des ondes dites de « surface », de Rayleigh et Love. Ces ondes sont liées aux ondes de cisaillement et présentent la particularité de permettre une reconnaissance d’une tranche de terrain d’autant plus importante qu’elles sont basses fréquences. Il ne s’agit pas d’une mesure directe des vitesses des ondes de cisaillement mais d’une détermination par inversion mathématique des résultats de la Masw. Ainsi sans contrainte du modèle d’entrée de l’inversion, plusieurs modèles de terrain peuvent être obtenus, tous cohérents avec les données expérimentales.

Idéalement, pour fiabiliser les résultats de ces méthodes, il parait intéressant de cumuler des acquisitions par sismique réfraction et Masw. Les résultats de la sismique réfraction interviennent en tant que données d’entrée du modèle Masw et permettent de contraindre l’algorithme d’inversion et ainsi de déterminer un modèle de terrain au plus proche de la réalité.

Exemple d’une coupe sismique Masw / réfraction en ondes de cisaillement