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MEMOIRE DESCRIPTIF déposé à l'appui d'une DEMANDE DE BREVET D'INVENTION formée par Monsieur Pierre DE SLOOVERE pour PROCEDE D'AUSCULTATION D'UN MASSIF EN VUE D'OBTENIR UNE EVALUATION DE LA STABILITE DU TERRAIN.
Inventeur : Monsieur Pierre DE SLOOVERE
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PROCEDE D'AUS CULTATION D'UN ARSSIF EN VUE D'OBTENIR UNE
EVALUATION DE LA STABILITE DU TERRAIN
La présente invention a pour objet un procédé d'exa- men de la structure d'un terrain par auscultation des sols, dont les caractéristiques mécaniques ne sont pas déterminées.
En particulier, la présente invention se rapporte à un procédé d'examen de la structure des sols destiné à évaluer l'évolution de sa structure, notamment après injection de matériaux utilisés pour le stabiliser.
Les injections sont réalisées pour stabiliser un sol, au moins temporairement, pour permettre l'exécution de certains travaux. Au moyen de tubes enfoncés dans le sol, on injecte du ciment ou des résines synthétiques, à diverses profondeurs et dans diverses directions. Jusqu'à présent, il n'a pas été possible de savoir si les injections pratiquées étaient ou non efficaces. Même en appliquant des coeffmcients de sécurité élevé on ne peut être certain d'avoir réalisé la stabilisation désirée.
Avec la sismique usuelle, on utilise jusqu'à présent le temps de propagation ou la vitesse de propagation des ondes à travers les massifs, mais ni l'étude des fréquences ni celle du déphasage du signal relié à l'amortissement intrinsèque,
Conformément au procédé selon l'invention, on choisit un point d'émission et au moins un point de réception, la ligne joignant les deux points traversant la zone à contrôler, puis on produit au point d'émission des vibrations mécaniques, entretenues ou non, et l'on mesure les spectres d'émission de la
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vibration émise et de réception de la vibration reçue au moyen < -
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d'un analyseur de spectre, la réduction d'amplitudes des vibrations aux basses fréquences et l'apparition de vibrations de fréquences plus élevées, au point de réception,
rendant compte de l'amélioration des caractéristiques mécaniques du terrain.
Le procédé de l'invention permet de contrôler par exemple que la qualité d'un sol s'est améliorée à la suite d'une injection, qu'un ouvrage ancien ne s'est pas dégradé avec le temps, la qualité d'un ouvrage tel qu'un barrage, en terre damée, la qualité d'un contact rocher/béton pour un bouchon de galerie, etc,
L'originalité du procédé repose sur le fait que l'on utilise l'analyse en fréquence dans des espaces dont on ne connaît pas ou dont on connaît mal, la dimension et les caractéristiques géomàcaniques.
D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif en regard des dessins annexés, donnés à titre d'illustation de l'invention, et dans lesquels, - la Figure 1 est une représentation schématique de la mise en oeuvre du procédé de l'invention ; - las Figures 2 à 5 sont des enregistrements de spectres corres- pondant à un terrain d'alluvions grossières, avant injection, la Figure 2 étant le spectre d'émission, la Figure 3, le spec tre de réception sur le capteur vertical et les Figures 4 et 5 les spectres de réception sur les capteurs horizontaux, sui- vant deux directions perpendiculaires ; - les Figures 6 à 9 sont des figures analogues aux Figures 2 à 5, après stabilisation du terrain ;
- la Figure 10 est un graphique de deux spectres superposés ré- sumant le principe de la présente invention ; - la Figure 11 représente schématiquement l'application de l'in vention à l'auscultation d'une paroi ; - les Figures 12 et 13 représentent schématiquement deux autres exemples d'application de l'invention ; et - les Figures 14 et 15 représentent schématiquement encore un.
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autre exemple d'application.
Un mode de mise en oeuvre du procédé selon la présente invention est représenté schématiquement sur la Figure 1.
Le terrain à étudier est situé entre deux forages 1 et 2, qui peuvent être par exemple des forages d'injection pratiquer dans un terrain à stabiliser en vue d'une constructionquelconque.
Dans ce type de travaux, on pratique de nombreux forages et il est possible d'appliquer le procédé de l'invention à partir d'au moins un forage et de relever des spectres dans plusieurs autres.
Ces opérations seront effectuées avant les injections puis, en cours de travaux, jusqu'à l'obtention d'un résultatsatisfaisant du point de vue stabilisation. On utilise un analyseur spectral ou modal 3, relié au récepteur R et accessoitement à l'émetteur E. L'émetteur du champ d'ondes peut être constitué simplement par une explosion, un choc direct sur une enclume placée au fond, un choc indirect s r une enclume placée en tête d'un train de tiges ou tout autre émetteur de choc mécanique utilisant par exemple un procédé électromagnétique quelconque, ou plus simplement encore tout dispositif pouvant vibrer et transmettre ses vibrations au sol ou à la structure à étudier,
Le récepteur peut être un transducteur quelconque mono ou multidirectionnel, par exemple du type géophone (capteur de vitesse) ou capteur d'accélération.
Ces types de récepteurs sont bien connus de l'homme de l'art.
On peut utiliser un analyseur de spectre en temps réel ou analysuer modal, rélié au récepteur, et suivant le type d'émetteur à l'émetteur ou à un récepteur situé suffisamment près de l'émetteur pour enregistrer le signal source. Les analyseurs de spectre existent depuis dix ans environ, les modèles suffisamment rapides et bon marché sont récents.
On peut également enregistrer les signaux sur bande magnétique et les analyser par la suite avec un analyseur en laboratoire ; ce qui permet d'éviter le transport de matériel délicat sur le terrain.
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Selon un mode d'exécution du procédé de l'invention, on émet un signal sismique qui est un signal extrêmement riche, puisque l'on génère plusieurs types d'onde, dont au moins des ondes de compression et des ondes de cisaillement. De plus, le signal est généralement émis sur une large bande de fréquence, et l'avantage de l'analyse en fréquence est qu'elle permet l'étude approfondie du contenu en fréquence et en amplitude de l'ensemble du signal.
Autrement dit, on étudie ainsi le retour à l'équilibre d'un terrain soumis à une vibration mécanique quelconque, ce qui n'ajamais été réalisé avec la sismique usuelle qui se limitait à la seule étude de la vitesse de propagation du champ d'ondes créé à travers le terrain.
Il est bien connu que l'analyseur de spectre donne accès au spectre d'amplitude et au spectre de phase. Or, ces deux variables dépendantes de la fréquence cachent en fait une multitude de paramètres qui signent le matériau ou la structure beaucoup plus qu'une vitesse de propagation d'ondesismique. On prend l'exemple du contrôle d'injection. Il y a les trois zones habituelles, c'est-à-dire la zone d'émission, la zone de transmission et la zone de réception. En considérant d'abord la zone d'émission, si l'on prend comme émetteur une enclume scellée au terrain par un système mécanique quelconque, le spectre émis va dépendre de : - la dimension de l'enclume et du marteau, - ses caractéristiques élastiques, - des caractéristiques visco-élastiques du terrain encaissant.
C'est en fait un problème d'interaction dynamique sol/structure dont les formules sont bien connues dans certains cas particulier entre autres celui de la plaque.
Considérant maintenant la zone de transmission, on peut admettre temporairement que dans cette zone l'on est dans le domaine de comportement visco-élastique du massif. On voit que quatre facteurs ont été modifiés après l'injection : - la masse qui a crû faiblement,
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- le module d'élasticité qui a crû fortement, - la raideur qui a crû également fortement, - le coefficient d'amortissement qui a diminué.
Sans pour autant être lié par la théorie avancée, il semble que directement ou indirectement (pour la masse par exemple) ces quatre facteurs concourent à produire un décalage du spectre vers les hautes fréquences.
Considérant maintenant la zone de réception, on peut dire qu'elle est équivalente à la zone d'émission mais en plus simple car il n'y a pas de choc. Le spectre enregistré dépend donc du comportement mécanique de ces trois zones et principalement dans le cas du contrôle d'injection de la propagation dans la zone de transmission. Dans le cas présent, on a constaté sur les spectres de réception que l'amplitude de la vibration est maximum pour une fréquence nettement plus élevée qu'avant injection, c'est ce que l'on appelle un déplacement du spectre vers les hautes fréquences.
Sur les Figures 2 à 9 on porte en abcisse les fréquences et en ordonnée les fréquences de vibration, dites vitesses particulaires, qui ne doivent pas être confondues avec les vitesses de propagation. Les Figures 2 à 5 sont relatives aux mesures effectuées avant injection. L'expérience a été effectuées dans un terrain d'alluvions grossières. La Figure 2 représente le spectre d'émission, riches en basses fréquences, jusqu'à 200 Hz. La Figure 3 représente le spectre de réception vertical. Les Figures 4 et 5 représentent les spectres de réception horizontaux dans deux directions perpendiculaires à une distance comprise entre environ 80 cm et 20 m, de préférence entre 1 et 5 m. Sur les trois spectres de réception, on constate que les spectres sont caractérisés par une bande passante allant de, environ 20 à environ 400 Hz.
Les Figures 6 à 9 sont relatives auxmêmes opérations après injection, le terrain ayant reçu une certaine stabilisation. Le spectre d'émission est modifié, la bande passante est pratiquement identique tandis que les pics d'amplitude ont disparu, ce qui donne au diagramme un
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aspect lissé. Sur les récepteurs (Figures 7 à 9), on constate que l'amplitude des vitesses particulaires aux basses fréquences comprises entre 0 et 400 Hz, est considérablement réduite et on voit apparaître un spectre très riches en fréquences plus élevées, comprises entre 500 et 900 Hz. Ceci est résumé sur la Figure 10 où l'on voit un spectre d'émission type SE, et un spectre de réception SR, caractéristique d'un sol stabilisé.
Dans le cas où le sol n'est pas ou est mal stabilisé, le spectre de réception a l'allure du spectre d'émission légèrement étalé vers la droite.
Le procédé de l'invention peut également être appliqué à un système décrit à la Figure 11 qui représente un puits 5 dans lequel on déplace un équipage 6 portant un émetteur E et un récepteur R pour ausculter la paroi. Une opération analogue pourrait être effectuée horizontalement dans une galerie.
Ces possibilités croisées de l'analyse en fréquence permettent sur des distances assez courtes de nombreuses variantes d'application du procédé selon l'invention.
Le procédé est bien adapté aux sols tendres contenant des structures indurées et à tous les domaines où l'on doit observer des variations de caractéristiques géomécaniques.
A ce type d'applications, se rattachent : - le contrôle de compactages, - le contrôle d'injection (en travaux publics, mais aussi pour le back-filling), - le contrôle de maçonnerie ancienne dégradée (tunnel en maçon- nerie, viaducs anciens, routes de barrage), - la recherche de structure à l'intérieur des sols tels murs enfouis, pieux, etc..., - la dimension de structures auxquelles on a accès tels pieux, barrettes, etc...
D'autres voies ne sont pas à négliger, telle l'étude de la fracturation du massif rocheux. On peut considérer comme un massif, au sens de l'application de la présente invention.
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pour l'étude de sa résistance, une structure dont la dimension, dans une direction généralement perpendiculaire au trajet joignant l'émetteur au récepteur, est au moins égale à la moitié de ce trajet.
A titre d'exemples d'application du procédé de l'invention, la Figure 12 représente une vue en coupe d'un mur sur lequel on a placé un émetteur E1 et trois récepteurs Ri, R-, R-, Dans le cas d'un mur dégradé, on observera des spectres riches en basses fréquences, tandis qu'on notera des spectres riches en hautes fréquences pour un mur sain. Il faut cependant que le mur ait un volume suffisant pour être considéré comme un massif. La Figure 13 représente un puits 8 avec un train 9 de tiges de forage portant un trépan 10 à l'extrémité.
L'émetteur est constitué par les chocs provoqués par la pénétration de l'engin de forage, qui met le sol en vibration. Un récepteur replacé sur le train de tiges, permet d'obtenir la réponse du sol en fréquence.
La Figure 14 représente une galerie 12 creusée dans un massif 16.15 et 15'représentent un forage à l'avancement. L'outil de forage sert d'émetteur et l'on place des
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capteurs R., de la paroi frontale de la galeA jj U U rie, représentée sur la Figure 15.
Le procédé de l'invention s'applique particulièrement au contrôle de compactage, par exemple de compactage de barrages, de remblais routiers et autres analogues, l'émission et la réception pouvant même s'effectuer en surface. On sait que la sismique est d'autant plus efficace qu'elle recoupe par transparence un massif et que la longueur de la base d'auscultation est longue par rapport à la zone à ausculter. Elle n'est donc pas très efficace en front de taille de galerie.
Conformément à l'invention, ontire directement parti des forages réalisés au jumbo pour analyser ainsi la réponse en temps et en fréquence sur des panneaux dont la tige de forage est la droite d'intersection et les têtes de forage, les génératrices de choc. Les capteurs sismiques sont placés, api t