Brevet FR2442455A1 — publié le 19800620

La présente invention concerne un générateur électrodynamique d'ondes élastiques transversales qui est destiné à l'étude des caractéristiques élastiques des terrains sur lesquels on doit édifier des constructions importantes, en particulier les centrales électronucléaires. On sait que la construction des centrales électronucléaires implique la nécessité de connaltre au préalable quelles pourront être les sollicitations imposées aux structures et aux machines des centrales par les éventuelles secousses sismiques. A cet effet, il est nécessaire de connaltre la valeur du module d'élasticité tangentielle G (également appelé "/u") du sol des fondations jusqu'à une profondeur d'une centaine de mètres. Suivant une technique désormais éprouvée, la détermination de G s'effectue en mesurant la vitesse des ondes élastiques transversale ou ondes de cisaillement S du terrain à diverses profondeurs, en appliquant la formule G =f VS , ot Jest la densité du terrain VS la vitesse des ondes transversales. Dans la pratique courante, les mesures sont exécu tées par le procédé du n Cross hole". Dans ce procédé, on force dans le sol trois trous verticaux alignés transversalement, profonds d'une centaine de mètres et chemisés de tubes d'acier cimentés au terrain. La distance séparant les trous est habituellement de 5 m. Dans deux trous adjacents, on descend, à la même profondeur, deux géophones verticaux munis de dispositifs de fixation permettant de les fixer aux parois des tubes ; dans le troisième trou et égaiement à la même profondeur, on descend un appareil comprenant un cylindre muni d'un dispositif servant à le fixer à la chemise du trou et deux masses opposées (l'une au-dessus et l'autre au-dessous du cylindre) rigidement reliées par une tige. Les masses sont reliées à la surface au moyen d'un petit cible d'acier. En tirant et en reldchant successivement le câble, on fait battre les masses sur le cylindre et on produit ainsi des impulsions verticales dirigées vers le haut et vers le bas ; on engendre ainsi dans le sol des ondes transversales ou de cisaillement polarisées verticalement et opposées en phase. A chaque coup correspond la fermeture d'un circuit électrique et la production d'un signal de déclenchement qui, transmis au circuit de déclenchement- des traces d'un oscilloscope à deux canaux commande le début du balayage des traces. Les deux géophones sont reliés aux deux canaux de l'oscilloscope et les oscillogrammes sont photographiés sur l'écran par un appareil photographique Polaroïd. A chaque cote, les deux masses sont commandes de telle manière que le cylindre reçoive deux coups, un vers le haut et l'autre vers le bas et, à ces coups, correspond la production d'autant d'ondes transversales ou de cisaillement. Après l'exécution de l'enregistrement photographique de ces ondes, on mesure l'intervalle de temp8tit séparant les Ins- tants d'arrivée des ondes transversales aux deux géophones. Un oscillateur taré module l'axe z de l'oscilloscope et transforme les traces en lignes pointillées ; en comptant le nombre des points lumineux, il est facile de mesurer la valeur dent. La vitesse transversale est données par la formule VS = 5 m/s. La raison pour laquelle on effectue des mesures avec des impulsions de percussion dans les deux sens consiste dans le fait que ce procédé facilite la détection de l'instant d'arrivée des ondes transversales.; en effet, les oscillogrammes sont fréquemment perturbés par les ondes longitudinales qui, étant plus rapides que les ondes transversales, arrivent les premières aux géophones et font osciller les segments rectilignes des oscillogrammes. Les mesures sont généralement répétées a des cotes distantes de 1 à 2 m ; ce qu'on obtient en déplaçant l'appareil générateur et les deux géophones récepteurs entre une mesure et la suivante. Le générateur ou impulseur décrit plus haut com- portant des masses battants et à commande manuelle présente divers inconvénients, surtout lorsque la profondeur de mesure est supérieure à environ 20 m. Les principaux inconvénients sont : (a) l'amplitude des impulsions de la percussion de- pend de l'opérateur qui manoeuvre le cabale (pour les coups vers le haut) et de la présence ou de l'absence d'eau dans les trous, qui ralentit les mouvements de la masse battante. En outre, il se produit fréquemment que le câble de commande s'enroule ou s'emmêle avec le câble électrique qui transmet l'instant de percussion au générateur de déclenchement avec les canalisations d'air comprimé qui alimentent le dispositif de fixation à la chemise du trou de sonde. (b) la signalisation de l'instant de la percussion, qui est assurée par la fermeture d'un circuit électrique, est fréquemment erratique en raison des pertes d'isolement et des rebondissements des masses battantes. Il en résulte que la signalisation de l'instant de la percussion présente un retard variable par rapport à de la production de l'onde transversale de sorte que les mesures des temps des ondes élastiques doivent étre effectuées par mesure de la différence entre les instants d'arrivée de ces ondes à deux récepteurs et ce fait implique la nécessité d'utiliser trois trous alignés. (c) En dépit de la mesure par différence, il existe un risque d'erreur dû au fait que les ondes peuvent se propager de façon non rectiligne, en se réfractant sur les diverses couches du terrain. (d) Si l'énergie des coups, en raison de la nature du terrain n'est pas suffisante pour fournir des oscillogrammes interprétables, il n'existe aucun moyen simple et immédiat pour augmenter cette énergie. (e) La fréquence d'oscillation des diverses ondes engendrées est généralement très faible et dépend de la rapidité du mouvement imprimé aux masses battantes. (f) L'exécution des relevés est extremement lente et fatigante. Compte-tenu de ce qui précède, le but de l'invention est de réaliser un nouveau générateur perfectionné d'ondes élastiques transversales, destiné à être utilisé pour la détermination des caractéristiques élastiques des sols sur lesquels des fondations doivent être établies et qui, tout en supprimant les inconvénients énumérés plus haut qui affectent l'appareil utilisé jusqu'à présent, réponde également aux spécifications suivantes (a) Aptitude à produire des ondes transversales polarisées verticalement d'une intensité suffisante pour permettre d'effectuer des mesures sur des distances d'au moins 5 m. (b) Possibilité d'engendrer des ondes transversales opposées en phase (c'est-à-dire qui correspondent à des coups dirigés vers le bas et vers le haut). (c) Fréquence des ondes pouvant etre fixées à un niveau suffisamment élevé pour permettre une bonne précision de la mesure des temps de parcours. (d) Possibilité de fonctionnement automatique avec commande électrique à distance. (e) Instant de début de l'onde transversale très précis. Les éventuels petits retards doivent être connus et absolument constants, ceci de manière à permettre la mesure directe du temps demandé pour atteindre un récepteur, ce qui supprime la nécessite de réaliser la mesure par différence de temps et apporte donc la possibilité d'utiliser un seul récepteur. (f) Parfaite répétibilité des mesures et constance de la forme d'onde du signal produit à chaque fois. Suivant l'invention, ce but est maintenant atteint au moyen d'une générateur d'ondes élastiques transversales comprenant un premier cylindre muni de moyens de blocage déverrouillables qui permettent de le bloquer à des cotes choisies à volonté a l'intérieur d'un trou chemisé foré verticalement dans le terrain, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième cylindre fait d'une matière électroconductrice disposé dans le prolongement axial du premier cylindre et fixé rigidement à ce premier cylindre, ce deuxième cylindre renfermant deux bobines électriques superposées qui sont poussées élastiquement vers les extrémités correspondantes du deuxième cylindre, des moyens électriques de commande étant prévus pour alimenter alternativement les bobines par des impulsions de courant à haute intensité de manière à créer dans les bobines des forces instantanées de répulsion magnétique au niveau des extrémités respectivement adjacentes du deuxieme cylindre et, par conséquent a déterminer de brusques sollicitations de déplacement axial dans l'ensemble des deux cylindres solidaires. La nouveauté de la présente invention, comparativement à l'appareil impulseur actuellement utilisé, consiste donc dans le fait que les sollicitations axiales génératrices d'ondes transversales ne sont pas produites par des chocs de masses battantes actionnées manuellement mais au moyen de forces de répulsions magnétiques produites électriquement. Ceci engendre toutes une série d'avantages, qui sont principalement liés à l'actionnement électrique prévu suivant l'invention, le plus important de ces avantages étant représenté par la possibilité d'obtenir une application instantanée de la totalité de l'intensité de sollicitation, avec un retard par rapport à l'instant d'application de l'ordre qui est rendu fixe et facilement prévisible en fonction des moyens électriques (plus précisément électroniques, utilisés pour engendrer le courant d'excitation des bobines. Ce temps de retard étant fixe et connu, il n'est pas indispensable d'effectuer les mesures par différence, mais il peut être suffisant d'utiliser un seul géophone récepteur, ce qui apporte d'évidents avantages économiques et fonctionnels. En outre, le dispositif suivant l'invention assure une constante répétitivité du fonctionnement, ce qui permet d'-actionner le générateur, non plus coup par coup mais par des trains de percussions pouvant être utilisés par des appareils électroniques connus qui calculent la moyenne des signaux reçus, ce qui rend encore meilleur le rapport entre les signaux et les parasites accidentels de divers types. La nécessaire application instantanée des forces de répulsion qui produisent les sollicitations de cisaillement est de préférence obtenue par une décharge de très faible durée (une centaine de micro-secondes) de l'énergie électrique accumulée dans des condensateurs appropriés. Le spectre de fréquence que l'on obtient de cette façon est très large et uniquement limité par des caractéristiques dynamiques, (fréquence propre de vibration) du dispositif de blocage du générateur. Quant à l'intensité, il est évidemment très facile d'agir sur les moyens électriques de commande pour la rendre aussi élevée qu'il est nécessaire. Les figures du dessin annexé, données à titre d'exemple non limitatif, feront bien comprendre comment l'in- vention peut être réalisée. La figure 1 est une vue en coupe axiale d'un éné- rateur d'ondes élastiques transversales suivant l'invention. La figure 2 est un schéma électrique d'un circuit de commande de l'alimentation en courant des bobines du générateur de la figure 1. Le générateur électrodynamique représenté sur la figure 1 comprend un premier cylindre métallique 1 muni de moyens de blocage déverrouillables permettant de le fixer a la paroi 2 (indiquée en traits mixtes) d'un tube chemisant un trou vertical foré dans le terrain à étudier. Ces moyens de blocage sont constitués par une paire de pointes radiales fixes 3 et une paire opposée de pointes radiales extensibles 4, qui sont normalement maintenues repoussées par des ressorts 5 et qui peuvent étre commandées pour prendre une position saillante au moyen d'air comprimé introduit par un conduit 6 et que ltn fait agir sur des pistons solidaires des pointes 4. Au-dessus du cylindre 1 est disposé coaxialement un deuxième cylindre 8, solidaire du premier, réalisé en une ma tière électroconductrice,par exemple en aluminium, de même que son couvercle de fermeture supérieure 9. Le cylindre 8 est traversé axialement par un tube 10 qui transmet l'air comprimé au conduit 6 (ce tube 10 reçoit à son tour l'air comprimé d'une canalisation souple non représentée sur les dessins) et joue le rôle de guide de coulissement pour deux noyaux en matière isolante 11 et 12. Ces deux noyaux sont appliqués élastiquement, l'un contre le couvercle 9 et l'autre contre le fond du cylindre 8, par un ressort 13 enroulé autour du tube 10.Sur ces noyaux sont enroulées respectivement des bobines électriques 15 et 14 présentant une borne commune, comme on l'a représentée sur la figure 2. Cette borne commune et les deux autres bornes des bobines sont connectées à un circuit électrique approprié qui débite unNcourant pulsatoire a haute intensité par l'inter- médiaire de trois conducteurs 16, 17 et 18 (figure 2). Ces con ducteurs sont réunis en un cable à trois conducteurs convenablement protégé (non représenté sur la figure 1) qui sort du couvercle 9 en passant dans un tube de protection 19. On peut imaginer un grand nombre de circuits pouvant être utilisés pour l'alimentation pulsatoire des bobines 14 et 15. L'un de ces circuits est représenté sur la figure 2. I1 comporte un condensateur 20, qui se charge à travers un transformateur 21 et un redresseur composé d'un pont de diodes 22 et qui se décharge très rapidement, sur ordre, à travers un spintéromètre 23 auquel un générateur de déclenchement 24 fait parvenir l'ordre d'excitation. Cet ordre est transmis simultanément à l'appareil 25 qui effectue l'analyse des ondes transversales engendrées. Un commutateur 26 permet de transmettre alternativement à l'une ou à l'autre des deux bobines 14 et 15 les brèves impulsions de courant à haute intensité qui sont engen drées par la décharge du condensateur 20 à travers le spintéromètre 23 lorsque ce dernier appareil reçoit l'impulsion de déclenchement du générateur 24 (ce générateur est commandé par l'opérateur). Lorsque la bobine supérieure 14 (figure 1) est alimentée, il s'induit dans le couvercle 19 adjacent à cette bobine un courant d'une très haute intensité qui réagit avec le courant de la bobine en engendrant une force de répulsion explosive, laquelle se traduit par une violente sollicitation instantanée de l'ensemble des cylindres 1, 8 solidaires vers le haut ; on obtient ainsi une onde de cisaillement produite instantanément et qui possède un retard fixe et connu par rapport à l'instant de la production de l'impulsion de déclenchement envoyée au spintéromètre 23 et à l'appareillage analyseur. La morne chose se produit mais avec une sollicitation axiale de sens inverse, lorsque la bobine alimentée est la bobine 15 ; dans ce cas, en effet, il se crée une force de répulsion entre la bobine et le fond du cylindre 8, de sorte que l'ensemble des cylindres solidaires 1 et 8 est violemment sollicité vers le has et qu'une onde de cisaillement est également engendrée, toujours avec un retard fixe et connu, et avec une phase opposée à celle de l'onde précédente. Etant donné le type de commande utilisé, il est naturellement pos sible de produire aussi bien des percussions simples alternées, par exemple si l'appareil analyseur est un oscilloscope, que des trains de percussions de même signe possédant un degré élevé de reproductibilité et avec lesquelles on peut utiliser un appareil électronique connu, capable de calculer la moyenne des signaux, ce qui permet d'améliorer le rapport signal/bruit. REVENDICATIONS 1.- Générateur d'ondes élastiques transversales comprenant un premier cylindre muni de moyen de blocage déverrouillables qui permettent de le bloquer à des cotes choisies à volonté à l'intérieur d'un trou chemisé foré verticalement dans le terrain, caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième cylindre fait d'une matière électroconductrice disposé dans le prolongement axial du premier cylindre et fixé rigidement à ce premiercyXnr dre, ce deuxième cylindre renfermant deux bobines électriques superposées qui sont poussées élastiquement vers les extrémités correspondantes du deuxieme cylindre, des moyens électriques de commande étant prévus pour alimenter alternativement les bobines par des impulsions de courant à haute intensité de manière à créer dans les bobines des forces instantanées de répulsion magnétique au niveau des extrémités respectivement adjacentes du deuxième cylindre et, par conséquent à déterminer de brusques sollicitations de déplacement axial dans l'ensemble des deux cylindres solidaires. 2.- Générateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les bobines sont montées sur des noyaux isolants qui coulissent à l'intérieur dudit deuxième cylindre et sont poussées élastiquement vers les extrémités opposées correspondantes du deuxième cylindre. 3.- Générateur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens électriques de commande sont du type a décharge capacitive.