Brevet FR2720167A1 — publié le 19951124

L'invention se situe dans le domaine technique de la recherche d'informations géotechniques sur des massifs de rocher et de béton et concerne plus particulièrement une méthode d'acquisition de données à partir de mesures sismiques par réfraction et d'interprétation des résultats. Cette interprétation conduit à obtenir et calculer un certain nombre de critères spécifiques à la méthode dont la valeur individuelle caractérise le site et est comparée à des valeurs références obtenues sur d'autres sites. Pour connaître les propriétés mécaniques des massifs de fondation à l'échelle des grands ouvrages de génie civil, on a cherché à développer des méthodes de mesures géotechniques "in situ" plus générales que des essais ponctuels au vérin ou des tests sur éprouvettes de roche en laboratoire. La méthode sismique s'est prêtée à cette approche semi-empirique parce qu'elle mesure des différences de réactions au sein du massif ausculté qui peuvent en identifier la structure originale. Cette utilisation de la sismique réfraction qui est encore très pratiquée dans les reconnaissances géologiques de fondation fournit une information sur la structure du massif qui n'est, cependant, que d'ordre géométrique. Ce résultat procède de l'interprétation géophysique classique du signal sismique enregistré à partir de la seule mesure des temps d'arrivée de la première onde. Pour améliorer ces résultats, on a déjà cherché à interpréter, dans le signal sismique enregistré, d'autres paramètres identifiables et mesurables qui puissent qualifier le massif de fondation rocheuse. Pour cela une méthode de mesure de terrain, légère, dérivée de la reconnaissance classique par sismique réfraction appelée "petite sismique" a donné des signaux sismiques qui sont mis en corrélation avec des résultats de divers essais géométriques de référence, et fourni des informations sur les qualités du massif rocheux. Cette méthodologie d'investigation méritait cependant d'être améliorée et la Demanderesse s'est attachée à la mise au point d'un procédé d'investigation qui utilise mais surtout complète la technique de la petite sismique classique car elle ne se contente pas de mesurer la seule vitesse de propagation de la première onde (onde de compression), mais fournit l'ensemble des caractéristiques des deux premières arrivées, à savoir pour chacune : la vitesse de propagation, l'amplitude et la longueur d'onde. Son grand intérêt réside dans la part prépondérante faite à l'interprétation du signal reçu qui identifie des paramètres qui, corrélés à des résultats de divers essais géotechniques et à des critères de référence, permettent de caractériser des qualités intrinsèques au massif rocheux ausculté. Associé à la mesure sclérométrique (avec un appareil de type scléromètre à béton) qui caractérise la qualité de la matrice rocheuse, le procédé permet d'obtenir des informations géomécaniques et géotechniques sur le rocher (ainsi que sur du béton de masse) telles que la fracturation, la détérioration superficielle, l'altération, l'état de compression (ou de décompression), ainsi que le module d'élasticité statique. Un objet principal de la présente invention consiste donc en un procédé d'acquisition de mesures sismiques par réfraction et d'interprétation de ces mesures en vue de recueillir des informations géotechniques sur le massif rocheux ausculté, procédé selon lequel - on effectue des mesures sismiques sur l'ensemble du site à partir de plusieurs profils unitaires répartis sur le site selon les disponibilités d'affleurements - on enregistre par un seul géophone deux séries de signaux sismiques émis à partir de plusieurs points de frappe successifs, pour un profil de mesure, équidistants - on transfère et stocke pour chaque profil les deux signaux des deux séries d'enregistrement - on établit une fiche signalétique du profil de mesure sur laquelle sont inscrites des données obtenues à partir du pointage des deux premières ondes sismique s arrivées, ainsi que des critères géotechniques calculés directement ou par corrélation à partir des données sismiques directes. Sur la fiche sont aussi indiquées les valeurs sclérométriques mesurées sur chaque point de frappe - on regroupe sur un tableau récapitulatif géré par logiciel, toutes les valeurs de tous les paramètres mesurés sur chacun des profils réalisés sur le site, et on en calcule des valeurs moyennes résultantes - on interprète les critères mesurés par rapport à ceux obtenus sur des sites caractéristiques d'un type de roche ou sur des sites pour lesquels des corrélations ont été établies avec des résultats d'essais déjà effectués, afin d'obtenir un diagnostic géotechnique immédiat du massif rocheux ausculté. Parmi les caractéristiques particulières de l'invention, inscrites sur la fiche signalétique, il y a les vitesses de propagation des deux premières ondes arrivées et les temps initiaux de la première et de la deuxième onde. I1 y a aussi : le gain standard calculé à partir de la mesure des amplitudes pour chacune des ondes identifiées, ainsi que les fréquences des deux premières ondes arrivées identifiables sur le signal. On détermine le module d'élasticité statique à partir de la mesure de la fréquence de la deuxième onde arrivée et on établit une relation expérimentale entre la vitesse de la deuxième onde et l'indice sclérométrique. L'originalité de la méthode d'interprétation repose en partie sur le calcul d'un critère de qualification du site, qui correspond à la moyenne arithmétique de quatre paramètres qui sont : la valeur sclérométrique, le module dynamique, la fréquence de l'onde secondaire et un paramètre proportionnel aux pertes d'énergie. Ce critère est directement comparé aux nombreuses valeurs obtenues sur plusieurs sites étudiés antérieurement qui constituent la banque de données. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre dans laquelle on fait référence aux dessins annexés qui représentent figure 1 une vue schématique de l'appareillage utilisé pour la mise en oeuvre du procédé figure 2 un exemple de trains d'ondes recueillis figure 3 une courbe montrant la relation entre la vitesse d'arrivée des ondes et les mesures sclérométriques. L'appareillage de mesure schématisé à la figure 1, comporte essentiellement un module d'enregistrement 1 raccordé par l'intermédiaire d'un interface de déclenchement 2 à un interrupteur de déclenchement 3 fixé sur la masse standard 4. D'autre part, un géophone 5 est relié par l'intermédiaire d'un préamplificateur 6 au module d'enregistrement. Le procédé consiste à effectuer à l'aide de cet appareillage, une série de mesures sur des affleurements rocheux ou des massifs de béton (préférentiellement en galeries non revêtues). Pour cela on place le géophone 5 sur le rocher à mesurer qui doit être une roche saine et massive. Il est posé bien verticalement par l'intermédiaire des trois pointes de son embase. L'auscultation globale du rocher nécessite d'implanter chaque profil, à partir de l'emplacement du géophone fixe, et des points de frappe successifs sur lesquels sera lâchée la masse 4. L'application et l'efficacité de l'investigation seront conditionnées par la réalisation d'un assez grand nombre de profils sur l'ensemble du site à reconnaître. L'émission des ondes sismiques sera générée par le choc de cette masse sur la surface de l'affleurement rocheux, choc qui doit évidemment être émis de façon standard et reproductible. Chacun des points de frappe répertoriés fait également l'objet de plusieurs mesures sclérométriques effectuées dans la zone proche du point de choc, pour obtenir une valeur sclérométrique moyenne. Le signal généré par le choc sur chacun des points de frappe préalablement sélectionnés peut être visualisé sur l'écran du module d'enregistrement : il est apprécié et mémorisé. Ce stockage de la donnée de mesure est répertorié suivant la désignation qui aura été préalablement programmée dans 1 'enregistreur. La mesure complète d'un profil consiste donc à émettre une première série de signaux sismiques à partir de chacun des points de choc préalablement sélectionnés suivant un ordre qui préférentiellement commence par le point le plus proche du géophone pour aller progressivement jusqu'au plus éloigné. La série correspond à la mesure dite directe pour laquelle est enregistrée la première partie du signal utile pour la détermination des temps d'arrivée et des amplitudes des deux premières arrivées caractéristiques. Ensuite est effectuée une mesure dite "totale" c'est-à-dire qu'une deuxième série de chocs est émise, sur chacun des points, pour enregistrer des signaux dits "totaux". Le temps dit "total" du signal correspond à sa durée telle que les amplitudes deviennent égales au 1/10 de l'amplitude maximale. Cette portion de signal doit être enregistrée avec la valeur en temps correspondant, en millisecondes. Ainsi pour chaque profil de mesure, deux signaux (une mesure directe et un temps total) sont enregistrés et stockés pour chacun des points de choc. Les données de mesure sont transférées de l'enregistreur vers un ordinateur portable ayant une capacité importante de mémorisation. Grâce au développement informatique de la méthodologie, on peut assurer les trois étapes du traitement des mesures que sont le pointage, l'établissement de fiche signalétique de profil de mesure, le regroupement et la répartition des résultats de mesures pour l'ensemble du site, sous forme de tableaux. L'interprétation des résultats permettant de caractériser le site est assistée par un logiciel qui fournit un diagnostic géotechnique immédiat. La figure 2 illustre un train d'ondes recueillies pour un point de frappe. Les grandeurs mesurées sont des temps (ms) et des amplitudes (mV). Leur association, pour un profil complet, fournit des grandeurs soit sensiblement constantes (vitesses) soit variables en fonction de la distance du point de choc au géophone (amplitudes, fréquences, durée totale du signal). Sur l'enregistrement on note un premier pic positif A un premier pic négatif B puis un second pic positif C, etc... Les résultats ainsi recueillis sur chaque point de mesure sont regroupés sur une fiche signalétique sur laquelle sont indiqués plusieurs critères mesurés à savoir - les vitesses de propagation des deux premières ondes arrivées, c'est-à-dire la première onde Vp (pic A) puis la deuxième onde Vs (pic C), - les temps initiaux Top et Tos de la première et de la deuxième onde. La vitesse Vs de la deuxième arrivée (qui pourrait correspondre à l'onde de cisaillement) permet de mieux caractériser le massif rocheux que la vitesse de l'onde de compression car elle est à la fois sensible aux discontinuités qui affectent le massif et à la matrice rocheuse. On note également sur la fiche signalétique - l'amplification ou gain (G) standard en décibels (dB), calculée à partir de la mesure des amplitudes, en mV, pour chacune des ondes identifiées. Ce gain standard qui correspond à l'amplification qu'il faudrait afficher pour obtenir une amplitude standard de 10 mm est un critère qui caractérise les pertes d'énergie du signal induites par l'état de fracturation du massif rocheux. Les différentes valeurs du gain standard pour les deux premières ondes sont les valeurs initiales : Gop et G,,, les pentes Ggp et Ggst et les valeurs à 15 m G15p et Gl5s, - les fréquences des deux premières arrivées identifiables sur le signal. Il s'agit en fait de pseudofréquences puisqu'on ne caractérise que des oscillations privilégiées simples telles que celle de la première arrivée et celles qui se distinguent par des variations d'énergie, - le temps total du signal reçu : court, il est caractéristique d'une roche compacte et dure (40 millisecondes pour le béton de masse) ; long, il est caractéristique d'un milieu hétérogène ou altéré. On retient comme critère caractéristique, le temps total à 15 m (DT15), - les valeurs sclérométriques (S), mesurées sur chaque point de frappe et dont on fait la moyenne. Elles sont caractéristiques de la matrice de la roche, - un coefficient PS qui est un critère de qualification du procédé, résultant du regroupement de quatre paramètres élémentaires sélectionnés en raison de leur plus grande sensibilité à des variations de l'une des propriétés géotechniques du milieu. Le coefficient PS est la moyenne arithmétique de ces quatre paramètres dont les valeurs individuelles sont rapportées aux valeurs correspondantes obtenues pour un béton de référence. Ces paramètres sont la valeur sclérométrique S qui traduit l'état de la matrice rocheuse, la valeur du module dynamique Ed représentatif de l'élasticité du milieu, la fréquence de la seconde arrivée Fs qui intervient pour corriger le paramètre précèdent pour ce qui concerne les déformations lentes, et le paramètre G1ss proportionnel aux pertes d'énergie, lesquelles reflètent l'état de discontinuité du milieu. La dispersion des valeurs du coefficient PS, mesurée par le coefficient de variation (écart type/valeur moyenne) de PS, reflète le fait que l'un des quatre paramètres peut être ou beaucoup plus fort ou beaucoup plus faible que les autres ; ce qui correspond, d'après l'expérience à la probabilité de difficultés possibles plus ou moins apparentes. Pour des conditions normales de rocher sain, la valeur du coefficient de variation de PS est de l'ordre de 0,30 au maximum. Cette fiche signalétique est remplie autant de fois qu'il y a eu de profils de mesures sur un site, puis un tableau récapitulatif, regroupe toutes les valeurs moyennes de tous les paramètres mesurés qui caractérisent l'ensemble du site d'une façon globale. A partir de là, on interprète les divers critères mesurés, ce qui conduit à fournir un certain nombre d'informations géotechniques sur le milieu rocheux ausculté. Ces informations résultent de la comparaison des critères mesurés avec ceux obtenus soit sur des sites pour lesquels des corrélations ont été établies avec des résultats d'essais géotechniques réalisés durant l'étude du projet ou avec des mesures faites après la réalisation du projet, soit sur des sites qui sont considérés comme les plus caractéristiques d'un type de roche de fondation. Les développements récents de la méthode sur un nombre toujours croissant de sites, ont permis d'exploiter un plus grand nombre d'informations et de relations expérimentales, de sorte que l'interprétation des critères caractéristiques du procédé fournit à présent plusieurs types d'informations tant géomécanique que géotechnique sur la qualité du milieu étudié. Parmi les informations obtenues, le module statique Es est obtenu à partir de la mesure de la fréquence de la deuxième arrivée Fs. Une corrélation expérimentale entre cette fréquence Fs et le module statique Es a été établie sur la base d'une trentaine de cas actuels et permet d'obtenir l'ordre de grandeur du module d'élasticité statique. On détermine aussi l'état de compacité de la roche à partir d'une corrélation entre la valeur sclérométrique S qui caractérise la matière rocheuse et la vitesse sismique de la deuxième arrivée d'onde Vs qui caractérise la masse rocheuse. Une relation linéaire entre Vs et S (indice sclérométrique) se vérifie pour les rochers normalement compacts, quelle que soit leur dureté, comme indiqué à la figure 4. On s'écarte de cette relation pour des rochers fracturés décomprimés, ou au contraire surcomprimés. Cette relation expérimentale établie à partir de l'étude et de la réalisation de plusieurs projets dont une dizaine d'ouvrages souterrains, est particulièrement utilisée dans la prévision des soutènements en tunnel. La figure 4 indique les conditions de stabilité limites et les types de support définis expérimentalement, pour des tunnels de dimension standard jusqu'à 6 m de diamètre. Les points noirs sont représentatifs d'un site. Les autres symboles -triangle, carré ou rond- sont représentatifs de profils individuels dans des zones cintrées A (tunnels) ou boulonnés B ou sans soutênement C. La ligne pointillée N correspond à un état neutre ; audessus se situe la zone de rocher décomprimé RD et audessous la zone de rocher comprimé RC. La valeur du critère PS de qualification du site défini précédemment, ainsi que celle de son coefficient de variation, sont comparés aux nombreuses valeurs obtenues sur plusieurs sites étudiés antérieurement. Le site ainsi mesuré se classe ainsi dans la hiérarchie des cas répertoriés et référencés, ce qui permet d'en donner une appréciation géométrique générale sous forme d'un diagnostic. Le procédé est appliqué aussi bien en reconnaissance d'ouvrages souterrains que de fondations de barrages et autres grands ouvrages. Il s'effectue préférentiellement en galerie de reconnaissance et aussi en sondages. Les résultats obtenus par le procédé permettent, en peu de temps, de qualifier un massif rocheux (ou un massif de béton), et d'en déduire ses caractéristiques les plus probables avec un ordre de grandeur des paramètres géotechniques. Les mesures sont réalisées avec un équipement spécifique, léger et peu encombrant, qui peut être utilisé par des techniciens ou des ingénieurs même non spécialistes. Utilisé au stade de reconnaissances préliminaires, le procédé propose un diagnostic général sur la qualité du rocher qui permet d'orienter d'une part le type de projet, d'autre part les reconnaissances complémentaires plus spécifiques qu'il y aura lieu d'effectuer suivant les éventuels problèmes détectés. REVENDICATIONS 1. Procédé d'acquisition de mesures sismiques par réfraction et d'interprétation de ces mesures en vue de recueillir des informations géotechniques sur le massif rocheux ausculté, caractérisé en ce qu'il consiste - à enregistrer par un seul géophone deux séries de signaux sismiques émis à partir d'une pluralité de points de frappe successifs équidistants d'un profil de mesure choisi sur le massif rocheux, - à transférer et stocker pour chaque profil les signaux des deux séries d'enregistrement, - à établir une fiche signalétique du profil de mesure sur laquelle sont inscrits un certain nombre de critères caractéristiques obtenus à partir des données sur les deux premières ondes sismiques arrivées, ainsi que les valeurs sclérométriques mesurées sur chaque point de frappe, - à regrouper sur un tableau récapitulatif géré par logiciel, toutes les valeurs moyennes de tous les critères retenus par la méthode pour caractériser un site d'une façon globale, - et à interpréter les critères mesurés par rapport à ceux obtenus sur des sites références d'un type de roche ou sur des sites pour lesquels des corrélations ont été établies avec des résultats d'essais déjà effectués, afin d'obtenir un diagnostic géotechnique immédiat du massif rocheux ausculté. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que chacun des points de frappe répertoriés fait l'objet d'au moins deux mesures sclérométriques effectuées dans la zone proche du point de frappe, pour obtenir une valeur sclérométrique moyenne. 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les données sur les ondes sismiques arrivées, inscrites sur la fiche signalétique sont les vitesses de propagation des deux premières ondes arrivées (Vp, Vs) et les temps initiaux de la première et de la deuxième onde. 4. Procédé selon les revendications 1 et 3 caractérisé en ce qu'on rapporte sur la fiche signalétique le gain standard calculé à partir de la mesure des amplitudes pour chacune des ondes identiques, ainsi que les fréquences des deux premières ondes arrivées identifiables sur le signal. 5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on détermine le module d'élasticité statique (Es) à partir de la mesure de la fréquence de la deuxième onde arrivée (Fs). 6. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'on établit une relation expérimentale entre la vitesse de la deuxième onde (Vs) et l'indice sclérométrique S. 7. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un critère (PS) de qualification du site, représentant la moyenne arithmétique des paramètres qui sont la valeur sclérométrique (S), le module dynamique (Ed), la fréquence de la seconde arrivée (FS) et un paramètre proportionnel (glass) aux pertes d'énergie, est comparé aux nombreuses valeurs obtenues sur plusieurs sites étudiés antérieurement.