Sismique onde de surface terrestre, acquisition active et passive – MASW

Généralités

Le comportement des matériaux sous différents types de charges est un facteur important dans la conception des structures qui peuvent être sujettes aux mouvements de sols induits par des secousses sismiques, des passages de train, de la circulation routière, un fonctionnement de machines, etc.

Des modules de cisaillement de moins de 0.001 % sont utilisés dans la conception de ces structures. Comme le module de cisaillement est directement lié à la vitesse de cisaillement, il est possible d'obtenir ce module après avoir mesuré les vitesses de cisaillement. Le module de cisaillement mesuré de cette manière représente le module de cisaillement aux très petites déformations et fournit ainsi la mesure limite maximale de la rigidité (Gmax).

Les ondes de surface combinent à la fois les caractéristiques des ondes de compression et des ondes de cisaillement. Ce sont des ondes guidées qui se propagent à la surface du sol sur une épaisseur proche d'une longueur d'onde (λ).

Lorsque les ondes de surface se propagent dans un milieu constitué d'une seule formation, leur vitesse de propagation est constante. En revanche, lorsque ce milieu est constitué de plusieurs couches de caractéristiques différentes, alors la vitesse de propagation de l'onde est dite dispersive. Ceci signifie que la vitesse de propagation est dépendante de la profondeur, c'est-à-dire de la fréquence. Ceci revient à dire que les longueurs d'onde ont des profondeurs de pénétration différentes :

Basse fréquence - forte pénétration,
Haute fréquence - faible pénétration.

Pénétration des ondes de surface terrestre et exemple de modèle géologique

Principe MASW

Nous générons une onde de surface en utilisant une source sismique terrestre. Les ondes sismiques (ondes de Rayleigh) sont enregistrées en utilisant une antenne multivoies et un enregistreur sismique.

Notre logiciel de traitement des données en ligne calcule les courbes de dispersion pour chacun des points de tir. Ces courbes décrivent les propriétés de propagation des ondes de surface. Elles sont utilisées pour calculer les vitesses des ondes de cisaillement pour des formations de la proche surface (jusqu’à 50 m de profondeur). Comme la vitesse des ondes de cisaillement est directement proportionnelle au module de cisaillement, ceci nous donne une indication immédiate sur le profil de la raideur ou rigidité des terrains sans avoir à effectuer de forage, de cross-hole ou autre technique coûteuse. Cette technique est non destructive.

Dispositif d’acquisition pour un profil d’onde de surface terrestre

Les méthodes sismiques classiques utilisées pour mesurer les vitesses de compression et de cisaillement sont les méthodes de cross-hole et de downhole qui nécessitent l'utilisation de forages, plus couteux.

Corrélation de profils de vitesse de cisaillement
par MASW (Vs SP46 et 40) et par cross-hole

Caractéristiques clés

La vitesse de propagation des ondes de surface est très fortement liée aux caractéristiques de cisaillement du milieu (à plus de 95%). Le reste est fonction des caractéristiques de compression du milieu et de la masse volumique des matériaux. En analysant la vitesse de dispersion de l'onde de surface, on obtient le profil de la vitesse de cisaillement Vs pour la proche surface. Comme la vitesse Vs est directement proportionnelle au module de cisaillement du terrain (Gmax), cela nous renseigne sur les variations de rigidité du milieu. La géologie du proche sous-sol est donc décrite en termes de vitesse de cisaillement et de rigidité.

Il est aussi possible de mesurer des vitesses d’onde de cisaillement décroissantes avec la profondeur, ce qui signifie que l’on peut détecter des formations molles situées sous des formations dures.

La géologie du proche sous-sol est donc décrite en termes de vitesse de cisaillement et de rigidité (Gmax).
Elle permet pour un faible coût d'avoir un profil de la vitesse de cisaillement (en fonction de la profondeur), sur un linéaire de plusieurs kilomètres. Ainsi les variations sont plus facilement identifiables.
Les pénétrations observées sont de l’ordre de 30m en moyenne avec des maxima proches de 50m. Cette pénétration est fonction des caractéristiques du sous-sol et de la technique employée (source sismique, marteau, chute de poids et enregistrement du bruit microsismique (microtremor)).
Les inversions de vitesse sont mesurables lorsque celles-ci sont marquées
Les zones décomprimées sont détectables.
Les interprétations ont une erreur inférieure à 10%.

Applications

Études des lieux de constructions :

Qualification de site pour de gros ouvrages,
Analyse du risque de liquéfaction, de stabilité de pentes,
Cartographie du toit du rocher,
Cartographie des zones de faible vitesse de cisaillement,
Calcul de la vitesse de cisaillement et estimation du module de rigidité (Gmax) le long de profils de plusieurs kilomètres.

Étude des talus et digues :

Évaluation des talus, digues de terre,
Évaluation du degré de compaction des remblais,
Contrôle d’injection

Étude de tracés linéaires :

Évaluation des chaussées, voiries, pistes et tunnels

Description des équipements

Antenne multivoies de 24 à 192 capteurs
Source sismique (masse, chute de poids, shot gun, explosifs, pot vibrant)
Enregistreur sismique (GEODE Geometrics)
Logiciel de contrôle qualité en ligne
Logiciel de traitement des données d’onde de surface en ligne

Coupe 2D de vitesse de cisaillement obtenu sur un profil sismique (72 géophones)

Caractéristiques du système

Les ondes de surface terrestre sont utilisables partout où une surface est accessible,
Méthode applicable en milieu industriel par l’utilisation du bruit ambiant (micro-sismique),
Pénétration maximale moyenne de l’ordre de 30 m, et jusqu’à 50 m observée sous certaines conditions de site,
Détection des inversions de vitesse des ondes de cisaillement,
Mesure du Gmax de sédiments très mous à des formations sur-consolidées ou du rocher.

Résultats de l’analyse MASW

Faible profondeur d’investigation – terrain karstique

Résultats obtenus à partir de 6 dispositifs de 72 géophones espacés de 1 mètre

Cartographie 2D sur un linéaire, coupes à profondeur constante

Cartographie en 2D sur une surface, coupes à profondeur constante

L’analyse MASW :

est réalisée en utilisant des acquisitions de tirs sismiques ou de bruits sismiques (voir plaquette DCOS SismOcean),
à partir du bruit sismique, on utilise le même principe d’extraction de « panneaux » que celui décrit dans la rubrique DCOS. Dans cette configuration l’interprétation en vitesse de cisaillement est espacée de la distance séparant les géophones (un profil vertical de vitesse de cisaillement tous les deux mètres par exemple). Cette forte densité de mesures permet de suivre les variations des propriétés de cisaillement des terrains.
L’analyse MASW est bien adaptée pour la qualification de site présentant des risques d’inversion de vitesse de cisaillement (zones décomprimées), de liquéfaction…

Dans un environnement bruité (site industriel ou urbain) cette méthode présente l’intérêt d’utiliser le bruit sismique ambiant avec une pénétration moyenne maximale d’une trentaine de mètres. L’utilisation conjointe de l’analyse DCOS et MASW permet une caractérisation complète d’un site en utilisant les mêmes données sismiques et équipements.

Sismique onde de surface terrestre, acquisition active et passive – MASW

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