2. Reconnaissance des fontis
  • Méthodes de reconnaissance des cavités
La reconnaissance des cavités et failles présentes sur un chantier de terrassement routier ou ferroviaire est un enjeu majeur pour prévenir tout risque d’effondrement local brutal du remblai. Pour reconnaître ces cavités souterraines, différentes méthodes de prospection peuvent être envisagées et mises en œuvre. La surveillance de l’évolution de ces cavités nécessite ainsi la mobilisation de plusieurs outils et méthodes basées sur les variations des propriétés physiques du sous-sol : microgravimétrie, radar géologique, méthodes électriques et électromagnétiques ou encore méthodes sismiques.
Nous allons passer en revue les quatre grandes familles de méthodes (radioactivité, gravimétrie, électromagnétisme, sismique) et quelques fiches méthode seront présentées, dont la méthode MASW, nouvelle méthode sismique très prometteuse.
Le résultat attendu de ces reconnaissances est de fournir la probabilité d’occurrence d’un fontis et le diamètre à prendre en compte dans le dimensionnement.
  • Radioactivité
Le principe de cette famille de méthodes est de regarder les émissions produites par des réactions au coeur d'un atome ou le nombre de particules qui peuvent traverser un environnement.
Si on examine les produits de fissions qui se trouvent dans le sol, on essayera de déterminer les éléments parents qui s'y trouvent. Si l'on regarde le nombre de particules qui sont stoppés dans un sol pour déterminer par exemple la teneur en eau de celui-ci, ceci ne peut être fait que dans le cas d'une diagraphie.
Le plus grand inconvénient de cette famille de méthodes est la profondeur d'investigation presque nulle, sauf dans le cas des diagraphies.
  • La spectrométrie au sol
Principe :
On mesure, en coups/minute ou coups/seconde, l'énergie des rayonnements Gamma et Bêta émis par les familles radioactives des éléments uranium, thorium et potassium présents dans le sous-sol, à l'aide d'un détecteur (type cristaux NaI, traité au thallium en général).
Domaines d’utilisation :
On l’utilise pour la cartographie géologique et la recherche minière (failles et unités géologiques). Elle trouve aussi des applications dans l’environnement.
Limites :
Sa principale limite est qu’elle n’offre aucune profondeur d’investigation ce qui ne la rend pas adaptée à notre étude.
  • Gravimétrie
Le principe de cette famille de méthodes est d'utiliser la loi d'attraction universelle des corps ou loi de gravitation universelle (loi de Newton). On mesure les variations du champ de pesanteur en fonction de la position d'un appareil de mesure et on en déduit la densité du sous- sol.
Le principal intérêt de cette famille de méthodes étant de repérer une anomalie dans la valeur de la constante g, anomalie qui peut provenir d'une valeur de densité élevée (valeur de la constante trop élevée) par rapport à la densité moyenne locale (cela peut indiquer la présence de minerais), ou au contraire d'une valeur trop basse de la densité due à une cavité proche (valeur de la constante trop faible).
Ces méthodes sont difficiles à mettre en œuvre étant donné la rigueur de la méthode de mesure. Les variations recherchées de la constante de gravité sont de l'ordre de grandeur des phénomènes à prendre en compte pour corriger la valeur de cette constante. On peut citer à titre d'exemple comme phénomène l'influence de la position du soleil et/ou de lune.
  • La microgravimétrie
Principe :
On mesure la valeur relative de la gravité à la surface du sol en vue d'établir la répartition des densités dans le sous-sol. Elle permet la détection des déficits de masse dans le sol étudié.
Domaines d’utilisation :
On l’utilise principalement en génie civil pour la recherche de vides peu profonds (anciennes carrières, galeries, cavités karstiques) plus ou moins remblayés ou inondés. Cette méthode est aussi utilisée dans le domaine minier (recherche de filon et amas massif et denses, recherche de zones fracturées ou d'altération), celui de l’hydrologie (zones karstiques et d'altération, alluvions) ou encore de l’environnement.
Elle offre un vaste champ d’investigation et une profondeur d’investigation pouvant aller jusqu’à 50 mètres.
Limites :
Cette méthode de reconnaissance ne donne pas de mesure directe de la géométrie du massif. Les cavités constituent d'excellents contrastes de densité mais elles ne sont décelables que sous certaines conditions (homogénéité des terrains sous-jacents, profondeur maximale du toit de la cavité restant de l'ordre de son diamètre, contraste de densité…).
La mise en œuvre de cette méthode nécessite beaucoup de précaution et de précision pour l'utilisation de l'appareillage, l'implantation, les corrections et l'interprétation des mesures.
  • Electromagnétisme
On peut diviser les corps en milieux conducteurs et milieux peu conducteurs. De même on peut diviser les champs en deux catégories : statique et dynamique. Ces différences fondamentales conduisent à des méthodes totalement différentes et même antagonistes.
Si on a affaire à un champ statique qui émet un rayonnement, éventuellement sur différentes longueurs d'ondes, sa propagation dépend des caractéristiques du milieu vis-à-vis du rayonnement (longueur d'onde et polarisation). Dans le cas des charges électriques, ce paramètre est la permittivité du milieu et dans celui du magnétisme c’est la perméabilité magnétique du milieu. On peut citer à titre d'exemple de champs statiques : le radar, le rayonnement infrarouge, la vue (ne diffère que par leur longueur d'onde), le magnétisme au sol… Dans le vide ces rayonnements sont parfaits, on "voit" des étoiles à des années-lumière sur n'importe quelle longueur d'onde. Dès qu'un peu de matière apparaît, la propagation dépend des caractéristiques du milieu, plus ou moins absorbant pour le rayonnement et autorisant toujours "un peu" de circulation de courant.
Si le champ varie dans le temps, autrement dit s'il s'agit d'un champ dynamique, on a affaire à un écoulement, un débit, une intensité de courant, déterminé par la résistivité du milieu. Dans le cas dynamique, le courant circule. Il suffit donc de mesurer son intensité ou la différence de potentiel existant entre deux points
  • Le radar géologique
Principe :
On émet des impulsions électromagnétiques brèves qui se réfléchissent partiellement sur les interfaces entre milieux de constantes diélectriques différentes. Les échos sont enregistrés. Le dispositif est constitué d'antennes émettrice et réceptrice.
Les fréquences utilisées vont de quelques dizaines de MHz à quelques GHz.
Domaines d’application :
Les domaines d’utilisation du radar géologique vont du génie civil (détection de cavités, géologie superficielle, auscultation d'ouvrage ou encore recherche de réseaux et d’obstacles enterrés) à la prospection minière (recouvrement, exploitation) en passant par des applications environnementales (pollution, hydrocarbures) et l’archéologie. Cette technique permet d’entreprendre des contrôles non destructifs (couches de chaussées, tunnels…).
Elle offre un vaste champ d’investigation et une profondeur d’investigation pouvant aller jusqu’à 20 mètres.
Plus les fréquences des ondes électromagnétiques sont élevées, meilleure est la résolution et moins grande est la profondeur de pénétration des ondes. A l'opposé, plus basses sont les fréquences utilisées, plus grande est la profondeur de pénétration mais moins bonne est la résolution.
Limites :
La présence d'une couche conductrice en surface (couvert végétal) limite la pénétration des ondes dans le sol.
  • Le magnétisme au sol
Principe :
On mesure le champ magnétique total à la surface du sol (en nanotesla, nT).
Domaine d’application :
Cette méthode est utilisée pour la reconnaissance géologique structurale et lithologique (failles, roches éruptives) et la prospection minière. Elle permet aussi la détection de tout objet ferromagnétique (utilisation en archéologie et en environnement).
Elle offre un vaste champ d’investigation et une profondeur d’investigation pouvant aller jusqu’à 10 000 mètres.
Limites :
Cette méthode ne donne pas de mesure directe de la géométrie du massif.
  • Sismique
Les méthodes sismiques se retrouvent dans différents domaines du génie civil qui vont du contrôle de qualité à la description du substratum rocheux. Malgré le très large éventail des méthodes disponibles, on peut facilement les classer en fonction du type d'onde étudié (ondes P, ondes S, ondes de Rayleigh ou ondes de Love) et de la nature de l'onde reçue (directe, réfléchie, réfractée).
On peut trouver des méthodes sismiques utilisées en surface ou en forage laissant ainsi un large choix dans le type d'information donné. Par exemple en prospection géophysique la sismique de surface est surtout utilisée pour la description du substratum rocheux ainsi que son recouvrement ou la recherche de cavités alors que la sismique utilisée dans un puit de forage fournira une visualisation en 2 dimensions des évolutions latérales des couches géologiques profondes.
Les méthodes géophysiques ont beaucoup d'atouts : facilité de mise en œuvre, faible coût… Cela explique qu'elles soient tellement utilisées actuellement.
  • Sismique classique (réfraction)
Principe :
On mesure les temps de trajets dans les matériaux d'une impulsion mécanique de compression entre une source sismique située en surface et des récepteurs (géophones) également placés en surface pour des distances croissantes entre l'impulsion et les récepteurs.
Domaines d’application :
On utilise cette technique pour la reconnaissance du sous-sol lorsqu'il existe une distribution des vitesses sismiques (ondes P) croissante avec la profondeur. Elle permet entre autre la reconnaissance d'aquifères, de substratum rocheux, de zones fracturées ou karstiques.
Elle offre un vaste champ d’investigation et une profondeur d’investigation pouvant aller jusqu’à 20 mètres.
Limites :
Cette méthode ne permet pas de mettre en évidence une couche lente située sous une couche plus rapide. Elle n'est pas non plus applicable dans les cas d’environnement très bruyant ou de vallée fortement encaissée (dans ce cas, les ondes peuvent provenir des bords de la vallée avant que n'arrivent au géophone les ondes réfractées en profondeur à l'aplomb du profil).
  • MASW (Multichannel Analysis of Surface Wave et Modal Analysis of Surface Wave)
Principe :
On étudie dans cette méthode la propagation des ondes de Rayleigh dans le sol et de leur interaction sur des contrastes mécaniques entre l'encaissant et les hétérogénéités du sous-sol. Elle offre une description des couches du sous-sol individualisées par leur épaisseur et leur vitesse d'ondes mécaniques de compression longitudinale (onde P) et fournit la courbe de dispersion des essais (ce qui permet de déterminer la présence d'éléments étrangers ou de vide).
Cette méthode est à ce jour toujours en développement mais parait très prometteuse.
Domaines d’application :
Elle est utilisée pour la reconnaissance superficielle.
Elle offre un vaste champ d’investigation et une profondeur d’investigation pouvant aller jusqu’à 20 mètres.
Limites :
Sa profondeur d'investigation est faible et elle ne peut pas donner d'information sous une interface qui ne laisse pas passer les ondes S.