Brevet FR2594558A1 — publié le 19870821

Procédé et dispositif pour déterminer l'apparition de phénomè- nes de réarrangement dans le sol L'invention concerne tout d'abord un procédé pour déterminer l'apparition de phénomènes de réarrangement dans le sol, lorsqu'un vibrateur transmet une énergie sismique dans le sol, ainsi qu'en outre un dispositif pour la mise en oeuvre d'un tel procédé. Ces deux dernières décennies, on a utilisé fréquem- ment, en dehors de la séismologie mettant en oeuvre des explo- sifs, des dispositifs vibratoires hydrauliques pour transmet- tre une énergie sismique dans le sol afin de pouvoir explorer par exemple des zones ne pouvant pas être détectées au moyen de la séismologie basée sur des explosions. Pour la production et la préparation de signaux sismiques dans ces sols, on sup- pose qu'il se déroule des processus élastiques dans le sol. C'est pourquoi il est nécessaire et suffisant de prévoir une excitation élastique du sous-sol afin de transmettre une éner- gie sismique avec un rendement aussi élevé que possible. A cet effet on dispose fréquemment, sur des camions tous-terrains, des plaques de vibrateurs, qui transmettent l'énergie sismique dans le sol. A l'aide d'un système élévateur, on amène le vi- brateur dans la position de travail, c'est-à-dire qu'on le po- se sur le sol. Afin que la plaque de base du vibrateur ne s'écar- te pas du sol pendant les vibrations, on doit lui appliquer une force qui est supérieure à l'intensité de la force du vi- brateur. En raison des pressions élevées, qui appraissent au voisinage de la plaque de base du vibrateur, la contrainte appliquée au sol conduit fréquemment à une déformation perma- nente. Dans des cas déterminés, cette déformation est tout d'abord souhaitable afin de réaliser un tassement préalable du sol permettant d'éviter des pertes de transmission. Ces per- tes de transmission sont provoquées par un frottement et un réarrangement du sol au voisinage de la plaque de base. A la fin de l'opération de tassement, seule encore une contrain- te élastique est souhaitable. Lorsque l'on travaille sur des sols consolidés, par exemple des routes, une opération préalable de tassement est indésirable. Ici un tassement peut conduire & des endommage- ments qu'il faut éviter. Dans le cas d'une excitation du sol avec une ampli- tude vibratoire croissante de la plaque du vibrateur, on peut par ailleurs atteindre une zone dans laquelle une déformation élastique conduit à une déformation plastique du sous-sol, qui conduit également à des endommagements du sol. Le contrôle du passage d'une déformation élastique à une déformation plastique du sous-sol est par conséquent sou- haitable non seulement du point de vue du rendement de l'exci- tation sismique, mais également dans le but d'éviter des en- dommagements de la chaussée. Des vibrateurs modernes fournissent la possibilité de mesurer et de contrôler la force appliquée au sol. On peut évaluer la contrainte appliquée au sol, sur la base de cette force dynamique et en liaison avec la charge statique. Malheu- reusement on ne peut pas indiquer de façon précise, pour de nombreux ouvrages routiers, les forces admissibles, de sorte qu'une détermination de valeurs limites en tenant compte de facteurs de sécurité, peut parfaitement assurer une protection vis-à-vis d'endommagements de la chaussée, mais une utilisa- tion efficace des vibrateurs pour la séismologie n'est plus possible. C'est pourquoi l'invention a pour but d'indiquer un procédé et un dispositif pour déterminer l'apparition de phénomènes de réarrangement dans le sol et qui permettent, pen- dant le fonctionnement du dispositif, d'identifier l'instant et l'intensité de phénomènes de réarrangement ou d'autres va- riations, absorbant de l'énergie, et d'éviter par conséquent un endommagement du sous-sol. Selon un premier aspect de l'invention, ce problé- me est résolu & l'aide d'un procédé pour déterminer l'appari- tion de phénomènes de réarrangement dans le sol, lorsqu'un vi- brateur transmet une énergie sismique dans le sol, et selon lequel l'énergie est transmise au sol par l'intermédiaire d'une plaque de baseetcette plaque de base est en appui contre une masse de réaction, caractérisé en ce qu'on détermine les com- posantes d'accélération appliquées à la plaque de base de la masse de réaction et qu'on les pondère par la masse associée, qu'on additionne les composantes de force qui sont produites de ce fait, qu'on intègre la composante d'accélération de la plaque de base pour former une composante de vitesse et qu'on la multiplie par les composantes de force additionnées, et qu'on utilise la partie continue du signal de sortie obtenu de ce fait pour l'affichage de l'apparition de phénomènes de réarran- gement. En outre ce procédé est également résolu par un dis- positif pour la mise en oeuvre d'un procédé pour déterminer l'apparition de phénomènes de réarrangement dans le sol selon la revendication 1, dans-lequel un vibrateur transmet une éner- gie sismique dans le sol et dans lequel il est prévu un pre- mier capteur d'accélération installé sur la plaque de base du vibrateur et un autre capteur d'accélération installé sur une masse de réaction du vibrateur, contre laquelle la plaque de base est en appui élastique, caractérisé en ce que le signal de sortie du premier capteur d'accélération est envoyé à un intégrateur et est également pondéré, pour la formation d'une composante de force, par un facteur dépendant de la masse de la plaque de.base, que le signal de sortie de l'autre capteur d'accélération est pondéré par un facteur qui dépend de la mas- se de réaction et que les signaux de sortie pondérés des cap- teurs d'accélération installés sur la plaque de base et sur la masse de réaction sont envoyés, pour la formation de la composante totale de force, à un additionneur, dont le signal de sortie est multiplié par le signal de sortie de l'intégra- teur dans un multiplicateur. A l'aide du procédé conforme à l'invention, on peut déterminer l'instant auquel l'excitation avec une énergie sis- mique atteint une valeur qui peut provoquer des endommagements dans le sous-sol. L'indication de la composante de puissance active de l'excitation sismique du sol peut par conséquent être utilisée avantageusement pour déterminer la valeur limite jus- que pour laquelle une excitation du sol est autorisée ou pos- sible sans provoquer l'endommagement. L'identification de l'ap- parition d'une composante de puissance active présente en ou- tre l'avantage que la composante de puissance réactive déli- vrée, qui peut être utilisée seule dans le cadre d'une étude séismologique, peut être rendue maximale. Le dispositif conforme à l'invention utilise des capteurs d'accélération montés sur la plaque de base et à par- tir du signal de mesure desquels on peut tirer les composantes de force et de vitesse. Ces composantes sont réunies au moyen de combinaisons arithmétiques de manière à faire apparaître en tant que signal de sortie une valeur de mesure qui corres- pond à la composante de puissance active de l'énergie transmi- se dans le sol. Dans les vibrateurs utilisés dans la pratique, la plaque de base est normalement en appui contre une masse de réaction. La composante de force de l'énergie d'excitation est par conséquent déterminée dans ce cas au moyen d'une addi- tion pondérée des composantes de force appliquées aux diffé- rentes masses. Selon une variante de réalisation avantageuse de l'invention, on peut utiliser la composante de puissance réac- tive affichée à la sortie pour commander ou régler par exemple l'amplitude du signal de commande du vibrateur, de manière à régler à une valeur maximale la composante de puissance réac- tive. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence au dessin annexé, dont la figure unique re- présente un schéma-bloc de l'invention. Le procédé conforme à l'invention concerne l'effet de la réaction du sol sur la puissance mécanique. Dans le cas d'une réaction élastique sans perte du sol il existe, entre la pression et la vitesse d'excitation du sol qui est supposée - égale à la vitesse de vibration de la plaque de base, un dé- phasage de 90". Le déphasage diminue lorsque, dans le cas du déplacement élastique, une chaleur apparaît dans le sous-sol. Dans ce cas le vibrateur délivre une puissance dissipée qui correspond précisément à cette puissance calorifique. S'il ap- parait en supplément des phénomènes de réarrangement dans le sous-sol ou bien si la limite de résistance du sous-sol au ci- saillement est dépassée, une puissance active mécanique est délivrée en supplément. La puissance calorifique et la puissan- ce active mécanique sont indésirables. Conformément au procédé selon l'invention, la com- posante de force et la composante de vitesse sont obtenues au niveau de la plaque de base du vibrateur et sont multipliées entre elles. La composante continue du signal de sortie ainsi obtenu est utilisée pour l'affichage de l'apparition de phéno- mènes de réarrangement. Le signal de sortie est obtenu de la manière suivante: sur la plaque de base 2 et sur la masse de réaction 3 se trouvent disposés des capteurs d'accélération 3 et 4, dont les signaux de sortie sont additionnés après pon- dération respective par des facteurs constants, qui correspon- dent à la masse de la plaque de base et à la masse de réaction. F = lmR. aRI+ImB. aBl mR = masse de la masse de réaction, mB = masse de la plaque de base, aR = accélération de la masse de réaction, aB = accélération de la plaque de base. Le signal de sortie de l'additionneur 5 correspond aux composantes de force de la puissance appliquée. Cette com- posante est une grandeur à variation sinusoïdale F = F max.cos max wt. Le signal de sortie du capteur d'accélération 3 installé sur la plaque de base 2 est en outre envoyé à un intégrateur 6, dont la sortie délivre le signal de vitesse de la plaque de base 2. Ce signal de vitesse est également une grandeur si- nusoldale répondant à la formule suivante V = VBma.cos (wt + B Bmax ô). La composante de vitesse est déphasée de l'angle t par rap- port à la composante de force. Les composantes de force et de vitesse sont alors multipliées entre elles dans un multiplicateur 9, et l'on ob- tient la formule suivante pour la valeur instantanée de la puis- sance: P = F. V = Fmax. cos t. VBmax. cos (t + Le signal de sortie correspond par conseéquent à P = Fmax VBmax (cos?+ cos (2t+t P = Fax. VBm. cos ô+ F.maxV. cos (2cut+) max Bmax max Bmax La puissance mesurée se compose par conséquent, pour un angle de phase constant, d'une grandeur constante, qui peut être également désignée en tant que puissance réactive, et d'une composante qui oscille avec la fréquence angulaire double 2x. Dans le cas d'une déformation plastique et d'un ré- arrangement des sols, il se produit une conversion de l'éner- gie qui est tirée du système. Cette puissance correspond à la composante mesurée de puissance active, c'est-à-dire à la com- posante continue. C'est pourquoi cette dernière est égale a: P = 8. F V. cosf w max Bmax La grandeur P constitue par conséquent une mesure W du degré de déformation plastique et de réarrangement et par conséquent une mesure de désaction appliquée au sol par la for- ce F. La composante de puissance réactive, représentée de cette manière, de la puissance transmise au sol peut être utilisée avantageusement non seulement pour l'affichage, mais également pour le réglage ou la commande du signal de commande du vibra- teur, afin d'éviter ainsi la production de la composante de puissance active et d'autre part afin de rendre maximale la composante de puissance réactive. Le dispositif conforme à l'invention est constitué par des capteurs d'accélération 3,4, dont les signaux de sor- tie sont additionnés dans l'additionneur 5, après pondération par des facteurs correspondant aux masses, dans les multipli- cateurs 12 et 13. La pondération peut être réalisée par exem- ple grâce au fait que les facteurs d'amplification d'un ampli- ficateur opérationnel utilisé pour l'addition sont réglés con- formément aux masses. La composante d'accélération appliquée à la plaque de base 2 est en outre envoyée à un intégrateur 6 qui peut être également réalisé sous la forme d'un amplificateur opérationnel. Les signaux de sortie de l'additionneur 5 et de l'intégrateur 6 sont envoyés à un multiplicateur 9, dont le signal de sortie peut fournir directement une mesure, par exemple la tension U de la composante de puissance active, après séparation de la composante de puissance réactive oscillant avec une fréquen- ce angulaire double. La composante continue du signal de sortie peut être séparée et affichée par voie électronique ou même directement dans un appareil à tension continue. Entre l'additionneur 5 et le multiplicateur 9 ou l'intégrateur 6 et le multiplicateur 9 on peut insérer des fil- tres de bandes de fréquence, qui peuvent être réalisés sous la forme de filtres passe-bas ou sous la forme de filtres passe- bande. Les caractéristiques passantes des filtres 7 et 8 peu- vent être commandées par le signal de commande du vibrateur, de manière à fournir, lors de l'excitation à l'aide de signaux de balayage, un décalage des données des fréquences limites des filtres. De tels filtres sont désignés sous le terme de filtres à verrouillage. Ces deux filtres possèdent une consti- tution identique de sorte que le déphasage produit par les fil- tres possède la même valeur pour la force et la vitesse. Le signal peut être renvoyé depuis la sortie du mul- tiplicateur 9 à la partie de commande 11 du vibrateur, afin de permettre une commande ou une régulation automatique. Les différents circuits du dispositif conforme à l'invention peuvent être réalisés selon une technique analogi- que des circuits, mais on peut également utiliser une instal- lation de calcul, que l'on dispose dans un véhicule formant dispositif vibrateur. REVENDICATIONS 1. Procédé pour déterminer l'apparition de phéno- mènes de réarrangement dans le sol, lorsqu'un vibrateur trans- met une énergie sismique dans le sol, et selon lequel l'éner- gie est transmise au sol par l'intermédiaire d'une plaque de base (2) etcette plaque de base est en appui contre une masse de réaction (1), caractérisé en ce qu'on détermine les compo- santes d'accélération appliquées à la plaque de base de la mas- se de réaction et qu'on les pondère par la masse associée, qu'on additionne les composantes de force qui sont produites de ce fait, qu'on intègre la composante d'accélération de la plaque de base pour former une composante de vitesse et qu'on la multiplie par les composantes de force additionnées, et qu'on utilise la partie continue du signal de sortie obtenu de ce fait pour l'affichage de l'apparition de phénomènes de réar- rangement. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise la partie continue du signal de sortie pour commander par réaction l'amplitude du signal de commande du vibrateur. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on transmet les signaux des composantes de force et de vitesse au moyen de filtres de bandes de fré- quences,dont les caractéristiques passantes sont commandées par la fréquence du signal de commande du vibrateur. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre d'un procédé pour déterminer l'apparition de phénomènes de réarrangement dans le sol selon la revendication 1, dans lequel un vibrateur transmet une énergie sismique dans le sol et dans lequel il est prévu un premier capteur d'accélération (3) installé sur la plaque de base du vibrateur et un autre capteur d'accélé- ration (4) installé sur une masse de réaction (1) du vibrateur, contre laquelle la plaque de base (2) est en appui élastique, caractérisé en ce que le signal de sortie du premier capteur d'accélération (3) est envoyé à un intégrateur (6) et est éga- lement pondéré, pour la formation d'une composante de force, par un facteur dépendant de la masse de la plaque de base (2), que le signal de sortie de l'autre capteur d'accélération (4) est pondéré par un facteur qui dépend de la masse de réaction (1) et que les signaux de sortie pondérés des capteurs d'accé- lération (3,4) installés sur la plaque de base (2) et sur la masse de réaction (1) sont envoyés, pour la formation de la composante totale de force, à un additionneur (5), dont le si- gnal de sortie est multiplié par le signal de sortie de l'inté- grateur (6) dans un multiplicateur (9). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractéri- sé en ce que le signal de sortie du multiplicateur (9) est en- voyé à l'unité de commande du vibrateur de manière à réduire l'amplitude du signal de commande lors de l'apparition d'une composante continue qui est supérieure à une valeur de seuil. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractéri- sé en ce que le signal formant la composante de force et le signal de sortie de l'intégrateur (6) sont délivrés par l'in- termédiaire de filtres (7,8) qui dépendent de la fréquence. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractéri- sé en ce que les filtres (7,8) sont des filtres passe-bande, dont les caractéristiques passantes sont commandées en fonc- tion de la fréquence de base respective du signal de commande du vibrateur.