Soutenance mémoire
LA DETERMINATION DE LA VITESSE EN PROFONDEUR
Caractérisation des sols grossiers naturels
Les sols à granulométrie étalée se rencontrent fréquemment dans les régions montagneuses (éboulis, moraines, dépôts de lave torrentielle, cônes de déjection torrentielle, alluvions, …). La construction d’ouvrages, et notamment d’ouvrages en terre (digues, merlons deprotection contre les risques naturels) sur ce type de sols, ainsi que leur réemploi comme matériaux de remblai (éloignement des zones d’approvisionnement en granulats) impose une bonne connaissance de ces matériaux. La caractérisation de ces sols par les méthodes géotechniques traditionnelles est cependant rendue très difficile, voire impossible, par la présence d’hétérogénéités (galets, cailloux, blocs…) de dimension décimétrique à métrique, et ce pour au moins deux raisons:
In situ, la nature ponctuelle des essais mis en oeuvre est inadaptée à l’hétérogénéité des matériaux grossiers étudiés, chaque essai pouvant affecter au hasard une zone meuble ou une zone de blocs. Un essai de pénétration dynamique, ou a fortiori statique, est en effet facilement stoppé par la présence d’un bloc de taille décimétrique. Les essais nécessitant la réalisation préalable d’un forage, tels que le Pressiomètre ou le Phicomètre, sont en pratique limités à des tailles de blocs de l’ordre de 150 mm (norme NF P 94-120). Au laboratoire, les essais de caractérisation mécanique sur des matériaux grossiers réalisés au triaxial ou à la boite de cisaillement direct ont souligné la nécessité d’utiliser des appareils de dimension nominale au minimum 10 fois supérieure au Dmax du matériau testé. En pratique, cette condition limite ce type d’essais à des matériaux comportant des éléments de diamètre 100 mm. En d’autre termes, lorsque la dimension des plus gros éléments excède 100 à 150 mm, le volume élémentaire représentatif (VER) du sol devient beaucoup trop important (norme NFP 94-056) pour les dispositifs d’essai classiques.
Dans un tel contexte, les mesures géophysiques, non-intrusives et capables d’investiguer simultanément un grand volume de sol, constituent une alternative intéressante aux essais géotechniques in-situ. Leur rapidité de mise en oeuvre et leur coût relativement modéré, peut permettre une caractérisation des matériaux hétérogènes sur une surface étendue, ainsi qu’éventuellement une détection des variations latérales à l’échelle du site. Si les méthodes géophysique ne permettent pas d’accéder directement aux propriétés mécaniques du sol en grande déformation, des corrélations existent entre les paramètres géophysiques et géotechniques. La caractérisation du sol par les méthodes géophysiques suppose l’existence de corrélations entre les propriétés mesurées (observables géophysiques) et les caractéristiques géotechniques ou physiques du matériau qui soient directement utilisables (granulométrie, teneur en eau, propriétés mécaniques, …).
Dans le cas d’un sol hétérogène à deux composants (par exemple, éboulis constitué de blocs décimétriques à métriques emballés dans une matrice fine), la mesure des propriétés géophysiques effectives du sol, ainsi que des propriétés individuelles de chacun de ses composants, peut permettre de remonter à sa composition, grâce aux lois de mélange issues des modèles d’homogénéisation. Parmi les propriétés géophysiques facilement mesurables, la résistivité électrique montre un large éventail de valeurs entre les différents matériaux naturels, variant de quelques Ohm.m dans le cas des argiles ou des sols pollués à plus de 104 Ohm.m pour les roches telles le calcaire ou le granite. Si elle n’est pas directement reliée aux propriétés mécaniques du sol, la résistivité électrique d’un matériau hétérogène s’avère très sensible à la présence d’inclusions résistives ou conductrices qu’il contient. Des études récentes concernant l’homogénéisation des sols hétérogène par la méthode d’inversion des ondes de surface ou par la tomographie électrique montrent qu’il est a priori possible, grâce à ces deux méthodes, d’estimer la composition d’un sol hétérogène bi-composant uniquement à partir de mesures géophysiques.
La détection des cavités souterraines
Les cavités souterraines sont une menace pour les constructions lorsque leur présence n’est pas détectée. En effet, si l’on construit au-dessus d’une cavité souterraine sans le savoir, on ne dimensionne pas l’ouvrage correctement et il peut se révéler fragile. Le poids de l’ouvrage fait céder le toit de la cavité et il s’ensuit une ruine brutale, d’autant plus grave qu’il peut y avoir des accidents corporels. Les cavités rencontrées habituellement dans le domaine du génie Civil sont les carrières souterraines, les mines peu profondes et les cavités naturelles de dissolution. On notera que les matériaux les plus fréquemment exploités en carrières (en dehors du sable, de l’argile ou de l’ardoise) sont des roches solubles susceptibles de donner dans certains cas des cavités naturelles. Il s’agit des roches carbonatées (calcaire et craie utilisés pour la pierre à bâtir, la chaux ou le ciment et pour l’amendement des sols siliceux) et des roches évaporitiques (essentiellement gypse, exploité pour le plâtre). La présence de tels matériaux dans le sous-sol doit donc inciter les maîtres d’oeuvre à la prudence car les deux types de cavités, naturelles et anthropiques peuvent y être rencontrés. Les instabilités de cavités souterraines génèrent des désordres qui peuvent se propager jusqu’à la surface. Les conséquences peuvent être très graves: ruine des constructions et des ouvrages de génie civil et mort d’homme en cas de phénomène brutal. Il y a une gradation dans la gravité des problèmes de surface engendrés par les effondrements, depuis l’affaissement jusqu’à l’effondrement généralisé en passant par la montéed’un fontis au jour et l’effondrement localisé (Figure 1.1).
Les méthodes géophysiques appliquées au génie civil : Recherche bibliographique.
La géophysique appliquée est la discipline qui consiste à étudier (observer, mesurer) un champ physique à la surface du sol ou dans des cavités creusées dans le sol. Ce champ physique, dont l’origine peut être naturelle ou provoquée, dépend d’un ou plusieurs paramètres caractéristiques des matériaux dont on cherche à déterminer la répartition dans le terrain. La reconnaissance géophysique, ou prospection géophysique, met en oeuvre un ensemble de méthodes indirectes où l’on cherche, à partir d’une ou plusieurs propriétés physiques à déterminer la structure du milieu souterrain de manière non destructive (non-invasive) et avec un échantillonnage spatial suffisamment dense pour que les variations latérales et verticales en soient décrites aussi complètement que le permettent la propriété et la méthode de mesure utilisées. La résolution, c’est à dire le degré de finesse avec lequel le sous-sol va être décrit, est en effet variable selon la propriété choisie et la méthode utilisée. Les mesures peuvent être réalisées à partir de la surface, de puits ou d’excavations préexistantes. Le plus souvent elles ne permettent pas, à elles seules, de déterminer les valeurs de paramètres géotechniques mais sont indispensables pour placer judicieusement les forages où seront effectuées les mesures de ces paramètres, pour interpoler entre ces localisations et pour déceler les anomalies préjudiciables à un projet. Certaines méthodes de grand rendement et capables de déterminer les grands traits de la structure géologique – sismique réfraction et méthodes électriques en particulier – seront mises en oeuvre dès les premiers stades de l’étude du projet (faisabilité géotechnique). Ces mesures seront réalisées quasi obligatoirement pour les études de tracés linéaires (routes, autoroutes, voies ferrées).
On choisit la propriété à mesurer à partir de la corrélation qu’on lui connaît avec les caractéristiques géotechniques recherchées et de l’amplitude des contrastes qu’elle peut montrer. Toutefois, les propriétés physiques montrant à la fois une variabilité suffisamment importante en fonction des paramètres d’état du terrain significatifs en géotechnique (porosité, teneur en eau, argilosité…), et donnant lieu à des méthodes de mesure réalisables à faible coût avec des appareils robustes et de mise en oeuvre facile sur le terrain, sont en nombre limité. Si une même propriété physique peut-être mesurée de plusieurs façons, le premier choix du prospecteur reste celui de la propriété à mesurer, en fonction des caractéristiques recherchées du terrain, la facilité d’emploi et les sensibilités des appareils disponibles intervenant ensuite dans le choix de la méthode de mesure et de l’appareillage. Le coût de la mise en oeuvre d’une méthode reste toujours un élément déterminant dans les choix. Ce chapitre de caractère bibliographique recense d’une manière détaillée l’ensemble des méthodes géophysique que dispose l’ingénieur civil. Une étude comparative et critique a été aussi réalisée. Ce pendant, nous avons uniquement utilisé dans le cadre de ce travail de fin d’études la méthode sismique 3D et la méthode des diagraphies dans le cadre de la partie pratique et travail personnel réalisé.
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Table des matières
Dédicace
Remerciements
Résumé
Liste des figures
Liste des tableaux
Liste des abréviations
Introduction générale
CHAPITRE 1 : LES PROBLEMES GEOTECHNIQUES : VERS UNE DEMARCHE GEOPHYSIQUE
I.Introduction
II.Grands problèmes de reconnaissance dans le domaine du génie civil
Signet II.1 Caractérisation des sols grossiers naturels
Signet II.2 La détection des cavités souterraines
La méthodologie générale pour la recherche de cavité :
II.3 Module dynamique
II.4 Reconnaissance du sous-sol urbain
II.6 Ripabilité, terrassement :
II.7 Les fondations
II.8 Les venues d’eau
II.9 La reconnaissance des gisements de granulats
III.Les outils et techniques
Références bibliographiques
CHAPITRE 2 : LES METHODES GEOPHYSIQUE APPLIQUEES AU GENIE CIVIL
I.Introduction :
II.Paramètres physiques utilisés en géophysique
II.1 Masse volumique :
II.2 Caractéristiques élastiques (modules d’élasticité, vitesses des ondes mécaniques)
II.3 Caractéristiques électriques
II.4 Caractéristiques magnétiques et électromagnétiques
II.5 Radioactivité des roches
III.Méthodes géophysiques
III.1 Les méthodes sismiques
Principe des méthodes sismiques :
III.1.1 Sismique réfraction :
III.1.2 Sismique réflexion
III.1.3 Les ondes de surface (MASW):
III.1.4 Tomographie sismique
III.1.5 Sismique passive
III.1.6 Sismique Parallèle :
III.1.7 Cross hole
III.2 Méthodes électromagnétiques :
III.2.1 RF-EM et VLF-EM GRAD
III.2.2 Radio-magnétotellurique
III.2.3 Radar géologique
III.3 Méthodes électriques en courant continu
III.3.1 Sondage électrique
III.3.2 Traîné et carte de résistivité
III.3.3 Le panneau électrique
III.4 Prospection gravimétrique
III.4.1 Microgravimétrie
Choix des méthodes à adopter
Références bibliographiques
CHAPITRE 3 : UN OUTIL NUMERIQUE SIMPLE MAIS EFFICACE POUR LA DETERMINATION DE LA VITESSE EN PROFONDEUR
Introduction et objectifs
II.Uphole un outil numérique du terrain
II.1 Description de logiciel
II.2 Procédure de l’interprétation
II.3 Affichage des résultats de l’interprétation
III. StarUphole
III.1 Description de logiciel
III.2 Procédure de l’interprétation.
CHAPITRE 4 : INTERPRETATION THEORIQUE DE LA METHODE DITE CVT
I.Partie théorique
I.1 Présentation
I.2 Utilisation de la méthode CVT en génie civil
I.3 Présentation de la méthode CVT
I.3.1 Avantage de la méthode CVT
II.Partie pratique
II.2 Situation Géographique
II.3 Nature du terrain
II.4 Camp
III.Procédure de mise en oeuvre et Réalisation
IV.Description des CVT réalisés
V.Présentation des résultats
Interprétation des résultats
CHAPITRE 5 : Sismique 3D : Etude d’un cas réel
I.Introduction
II.Terminologie de la sismique 3D
III.Avantages de la sismique 3D
IV.Procédures générales
V.Mise en oeuvre
VII Présentation des résultats
Références bibliographiques
CHAPITRE 6 : Application des diagraphies pour la caractérisation des sols
I.Introduction.
II.Diagraphies géophysiques
II.1 Diagraphie de radioactivité naturelle (RAN).
II.2 Diagraphie sonique.
II.3 Diagraphie de résistivité
III. Application des diagraphies au puits STE.
Localisation de puits.
Cadre géologique
Prévisions litho-stratigraphiques
Présentation des résultats.
Interprétation des résultats.
Références bibliographiques
Conclusion générale.
Annexes.
