DEVICE FOR MEASURING THE ELECTRIC CHARACTERISTIC OF THE FIRST SUBSOIL LAYERS

Abstract: 1. Device for measuring an electrical characteristic relating to the first layers of the underground, comprising a transmitting coil (10) and a receiving coil (12) placed in a support (17) so as to be movable continuously on the ground surface while preserving a same relative disposition one with respect to the other, a generator (11) supplying alternating current to the transmitting coil (10) to generate an electromagnetic field, and receiving means (13-15) connected to the receiving coil (12) for receiving a signal representative of the amplitude of the component perpendicular to the plane of the receiving coil of said electromagnetic field and for supplying a signal measuring said electrical characteristic, characterized in that : - the generator (11) supplies a signal having a frequency comprised between 10 MHz and 100 MHz permitting the measurement of the apparent dielectric constant of the first underground layers, - the transmitting (10) and receiving (12) coils are embedded in said support formed by a covering (17) in electrical insulating material resistant to wear by friction and adapted to be drawn over the ground surface, and - the receiving means (13-15) comprise a recorder (15) for continuously recording the signal measuring said dielectric constant.

Description: Procédé de mesure de caractéristiques électrique des premières couches du sous-sol et dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. La présente invention concerne la mesure de caractéristiques Electriques,plus précisément la résistivité ou la constante diélectrique des premières couches du sous-sol. Plus particulièrement, l'invention a pour objet un procédé du type selon lequel la mesure est réalisée au moyen d'une bobine émettrice alimentée en courant alternatif pour engendrer un champ électromagnétique et d'une bobine réceptrice destinée à permettre l'elabora- tion d'un signal de mesure représentant l'amplitude de la composante perpendiculaire au plan de la bobine réceptrice du champ produit par la bobine émettrice. Plusieurs procédés de ce type sont connus. Certains utilisent le champ électromagnétique provenant d'émetteurs de radiodiffusion ; il se pose alors un problème d'orientation des capteurs par rapport à la direction des émetteurs; de plus, l'on ne peut maltriser le volume de terrain exploré. D'autres appareils connus utilisent une boucle émettrice et une boucle réceptrice mais ne permettent ni un enregistrement continu de la mesure, ni une limitation de l'exploration aux premières couches du sous-sol (épaisseur métrique à decam±trique) avec une précision satisfaisante du fait des très basses fréquences utilisées. Enfin, d'autres appareils encore utilisent des sondes capacitives de mesure de teneur en eau ce qui ne permet pas une auscultation rapide et continue. Or, il est souhaitable de pouvoir disposer d'une technique simple permettant une mesure rapide et continue de la résistivité ou de la constante diélectrique des premières couches du sous-sol, c'est-à-dire environ entre let 10 mètres de profondeur, afin, par exem ple, de réaliser une détection rapide et continue de zones d'accumulation d'eau dans le corps de chaussées routitres, ou de zones hétérogènes en prévision de travaux de terrassement, ou de zones favorables à l'implantation de prises de terre pour la protection de lignes électriques ou téléphoniques. Cet objectif est atteint au moyen d'un procédé du type défini en tête de la description dans lequel, conformément à l'invention, la bobine émettrice est alimentée en courant alternatif à haute fréquence, les bobines émettrice et réceptrice sont déplacées en continu à la surface du sol à examiner tout en conservant des positions respectives inchangées et le signal de mesure est enregistré en continu. L'utilisation d'un courant alternatif à haute fréquence permet d'obtenir une bonne sensibilité avec des bobines de dimensions relativement restreintes conduisant à une épaisseur d'investigation de dimension métrique à décamétrique. Par courant alternatif à haute fréquence, on entend ici un courant de fréquence comprise entre 150 kHz et 2 MHz pour la mesure de la résistivité, et entre 10 MHz et 100 MHz pour la mesure de la constante diélectrique. L'invention a aussi pour but de fournir un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé. Ce but est atteint, conformément à l'invention, du fait que les bobines émettrice et réceptrice sont noyées dans un support plan en matériau isolant électrique résistant à l'usure par frottement susceptible d'être tratné à la surface du sol à examiner. Le support plan est par exemple un tapis en caoutchouc et peut être formé de deux feuilles collées l'une à l'autre et entre lesquelles sont disposées les bobines émettrice et réceptrice. D'autres particularités et avantages du procédé et du dispositif selon l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence au dessin annexé sur lequel - la figure 1 est une vue schématique d'un ensemble de mesure selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe du tapis de mesure, - la figure 3 illustre la relation entre la ré sistivité apparente à mesurer et le rapport Hm/Ho entre le module de la composante verticale du champ magnétique mesuré au moyen de la bobine réceptrice et le module qui serait mesuré dans l'air loin du sol, - les figures 4 et 5 illustrent la relation entre le même rapport Hm/Ho et la hauteur d'eau dans un corps de chaussée ; et - la figure 6 illustre schématiquement un corps de chaussée en coupe. Conformément à l'invention, une bobine émettrice 10 alimentée en courant alternatif à haute fréquence et une bobine réceptrice 12 sont déplacées en continu sur la surface d'un sol S dont on désire mesurer la résistivité ou la constante diélectrique des couches supérieures. La bobine émettrice 10 est alimentée par un gé nérateur H.F. 11 de fréquence ajustable. La tension V induite dans la bobine réceptrice 12 par le champ électromagnétique produit par la bobine, 10 est amplifiée au moyen d'un amplificateur sélectif 13 accorde sur la fréquence du courant alimentant la bobine 10. Un voltmètre H.F. 14 branché à la sortie de l'amplificateur 13 fournit une indication visuelle de l'amplitude de la tension v. Un enregistreur 15 branché également à la sortie de l'amplificateur 13 permet de réaliser un enregistrement graphique continu représentant les variations de la ten sion v lorsque les bobines 10 et 12 sont déplacées sur le sol S. L'avance de l'enregistreur 15 est commandée par exemple par un capteur 16 mesurant la distance parcourue. Le capteur 16 peut être une roue associée à un détecteur fixe qui produit une impulsion à chaque tour de roue, par exemple un détecteur à effet Hall associé à une pièce métallique fixée sur la roue. Les impulsions produites sont utilisées pour commander le moteur d'entraînement de l'enregistreur à une vitesse proportionnelle à la fréquence de ces impulsions. En variante, l'entraînement de l'enregistreur pourra être couplé à celui du véhicule utilisé pour tracter les bobines 10 et 12. Comme on peut le voir sur la figure 2, les bobines 10 et 12 sont formées chacune par une spire, par exemple en cuivre, et sont noyées dans un tapis de caoutchouc 17 formé de deux feuilles 17a, 17b collées l'une sur l'autre et entre lesquelles sont placées les bobines. Le générateur 11, l'amplificateur 13, le voltmètre 14 et l'enregistreur 15 sont regroupés sur le véhicule tractant le tapis 17 et sont reliés aux bobines 10 et 12 par des câbles coaxiaux 18, 19. L'ensemble de mesure décrit ci-dessus peut être utilisé pour mesurer la résistivité ou la constante diélectrique des premières couches du sous-sol, selon la gamme de fréquences dans laquelle se situe la fréquence du courant alimentant la bobine 10. Pour la mesure de résistivité, on choisit une fréquence inférieure à 2 MHz et, depréférence, supérieure à 150 kHz pour obtenir une bonne sensibilité avec des bobines de dimensions raisonnables. La tension v induite dans la bobine 12 est alors une fonction de la résistivité du sous-sol ausculté et de la géométrie des bobines 10 et 12, c'est-a-dire de leurs dimensions et disposition relative. Pour la mesure de la constante diélectrique, on choisit une fréquence supérieure à 10 MHz et, de préférence, inférieure à 100 MHZ pour éviter les phénomènes de guide d'ondes. La tension v induite dans la bobine 12 est alors une fonction de la constante diélectrique du sous-sol ausculté et de la géométrie des bobines 10 et 12. En particulier, la présence d'eau dans le sous-sol se traduira par une diminution de la grandeur affichée sur le voltmètre et inscrite sur l'enregistreur. La mesure de la constante diélectrique selon le procédé de l'invention trouve donc une application particulibre- ment avantageuse dans la détection de poches d'eau dans les corps de chaussées routières puisque cette détection peut être réalisée rapidement, en continu et avec un matériel très simple. La grandeur mesurée est la résistivité apparente, ou constante diélectrique apparente, des premières couches du sous-sol, c'est-à-dire la résistivité, ou constante diélectrique, d'un sous-sol homogène qui conduirait au même résultat de la mesure dans les mêmes conditions (meme géométrie des bobines, même fréquence du courant). Pour une géométrie et une fréquence données, la relation entre la tension v et la caractéristique à mesurer peut être établie par étalonnage dans l'air. A titre d'exemple, lorsque l'on utilise un dispositif de type dipole-dipôle (bobines émettrice et réceptrice placées à une distance grande devant leurs diamètres) pour mesurer la résistivité apparente des pre mières couches du sous-sol, l'on peut se référer à la courbe de la figure 3 qui illustre la relation entre la résistivité apparente p1 et le rapport Hm/Ho où Hm est le module de la composante verticale du champ magnétique mesuré au moyen de la bobine réceptrice et Ho celui que l'on mesurerait dans l'air loin du sol (ou dans le vide). Dans le cas illustré par la figure 3, la fréquence fl du courant alimentant la bobine émettrice est égale à 600 kHz et les bobines émettrice et réceptrice espacées l'une de l'autre d'une distance d entre centres égale à 3.m, ce qui fait qu'au-delà d'une profondeur z1 égale à environ à 4 m, les caractéristiques du sous-sol n'ont pratiquement plus d'influence. Dans ce cas d'une configuration dipÏle-dipole, les diamètres des bobines sont petits devant la distance d, par exemple au moins 5, et de préférence, au moins 10 fois plus petits que d. Les valeurs de la distance d entre bobines et de la fréquence f du courant alimentant la bobine émettrice sont choisies notamment en fonction de l'épaisseur z du sous-sol que l'on désire ausculter, comme l'indique par exemple le tableau suivant EMI6.1 <tb> z(m) <SEP> : <SEP> d(m) <SEP> : <SEP> f(MHz) <tb> ( <SEP> --- <SEP> <tb> <SEP> 8 <SEP> : <SEP> 6 <SEP> : <SEP> 0,3 <tb> <SEP> 4 <SEP> 3 <SEP> : <SEP> 0,6 <tb> ( <SEP> 2 <SEP> 1,5 <SEP> 1,2 <tb> ( <SEP> --- <SEP> <tb> ( <SEP> 1,2 <SEP> : <SEP> 0,9 <SEP> : <SEP> 2 <tb> La courbe de la figure 1 illustre la variation de la résistivité apparente P1 en fonction de Hm/Ho pour d = dl = 3 et f = f1 = 0,6 MHz. Pour obtenir les courbes correspondant aux autres configurations données dans le tableau, il suffit d'appliquer la loi de similitude suivante P2 d2 f1 #1 d1 f2 où p21d2 et f2 sont les valeurs de résistivité,distance et fréquence relatives à la courbe que l'on veut obtenir. Au lieu d'une configuration de type dipôle-dipôle on pourra utiliser une configuration avec bobines émettrice et réceptrice concentriques (comme dans l'exemple illustré par les figures 1 et 2), le diamètre de la bobine émettrice 10 étant grand (c'est-a-dire au moins 5, et de préférence, au moins 10 fois supérieur) au diamètre de la bobine réceptrice 12. Les courbes des figures 4 et 5 illustrent, à titre d'exemple, les relations du rapport Hm/Ho avec la hauteur d'eau h dans le corps d'une chaussée 20 (figure 6) de 1 m d'épaisseur sous revêtement 21, avec des boucles émettrice et réceptrice concentriques, de diamb- tres respectifs égaux à 3,2 m et 0,1 m. Dans le cas de la figure 4, la fréquence du courant alimentant la bobine émettrice est égale à 64 MHz, et le substratum 22 sur lequel repose le corps de chaussée est humide. Dans le cas de la figure 5, la fréquence est égale à 45 MHz et le substratum 22 est sec. On a envisagé ci-dessus l'application de l'invention à la détection de zones d'accumulation d'eau dans un corps de chaussée routière. Comme déjà indiqué, d'autres applications sont possibles, telles que la détection d'hétérogénéités de natures diverses (caractéristiques de la terre arable , présence de matériaux difficiles à terrasser en vue du creusement de tranchées, etc) ou la détection de zones favorables à l'implantation de prises de terre destinées à la protection de lignes électriques ou téléphoniques.

Claims: REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de caractéristique électrique des premières couches du sous-sol au moyen d'une bobine émettrice alimentée en courant alternatif pour engendrer un champ électromagnétique, et d'une bobine réceptrice destinée a permettre l'élaboration d'un signal de mesure représentant l'amplitude de la composante perpendiculaire au plan de la bobine réceptrice du champ produit par la bobine émettrice, caractérisé en ce que la bobine émettrice est alimentée en courant alternatif à haute fréquence, les bobines émettrice et réceptrice sont déplacées en continu à la surface du sol à examiner tout en conservant des positions respectives inchangées et le signal de mesure est enregistré en continu. 2. Procédé selon la revendication 1, pour la mesure de résistivité des premières couches du sous-sol, caractérisé en ce que la bobine émettrice est alimentée en courant de fréquence comprise entre 150 kHz et 2 MHz. 3. Procédé selon la revendication 1, pour la mesure de la constante diélectrique apparente des premières couches du sous-sol, caractérisé en ce que la bobine émettrice est alimentée en courant de fréquence comprise entre 10 MHz et 100 MHz. 4. Utilisation du procédé selon la revendication 3 pour la détection en continu de zones d'accumulation d'eau dans le corps des chaussées routières. 5. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les bobines émettrice (10) et réceptrice (12) sont noyees dans un support plan (17) en matériau isolant électrique résistant à l'usure par frottement susceptible d'être traîné à la surface du sol à examiner. 6. Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce que le support plan (17) est un tapis en caoutchouc. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le support plan est formé de deux feuilles (17a, 17b) collées l'une sur l'autre et entre lesquelles sont disposées les bobines émettrice et réceptrice. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les bobines émettrice (10) et réceptrice (12) sont concentriques.

Inventors: GROLLEAU, BERNARD PIERRE, LAFONT, RENE JEAN, LAGABRIELLE, RICHARD JEAN, Lafont, René Jean
Applicants: ETAT FRANCAIS REPRESENTE PAR LE MINISTERE DE L'URBANISME ET DU LOGEMENT   LABORATOIRE CENTRAL DES PONTS ET CHAUSSEES
Application year: 1982
Main classification: G01V3
IPC codes: G01V3