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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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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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).
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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.
1. Le phénomène fontis
