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Master Pro STEP Géophysique de Surface et Subsurface (G2S) Institut de Physique du Globe de Paris (2007 – 2008) M1 : UE 39U1GG4

STAGE PROFESSIONNEL :

Assistance au pilotage de reconnaissances géophysiques

Rapport et soutenance confidentiels

Rapport soutenu le lundi 08 septembre 2008 par

Lorraine BOWMAN

Tuteur de stage Maître de stage M. Essam HEGGY M. Vincent TALFUMIERE Equipe Géophysique Spatiale et Planétaire SNCF (Direction de l’Ingénierie) Institut de Physique du Globe de Paris Saint-Denis (93)

Stage professionnel S.N.C.F. Avril / Août 2008

Table des matières

Convention de stage I Remerciements VII Résumé VIII Introduction et objet du stage 1 I. La géophysique au sein de la SNCF 2

I.1 Présentation de la SNCF 2 I.2 L’utilisation de la géophysique 4

II. Applications de la géophysique 6

II.1. Détection de cavités sous la plateforme : LGV Est Européenne (radar de surface) 6 II.2. Détection de carrières sous les ateliers de Montrouge (sismique réflexion) 11 II.3. Apparition d’un fontis dans la région de Lille : investigation du site (radar de surface) 21 II.4. Après la géophysique, le contrôle des anomalies : sondages à Reims 26

Conclusion 29 Bibliographie 30 Annexes A

I. Méthodes géophysiques : Principes et objectifs A I.1. : Sismique réflexion A I.2. : Sismique en ondes de surface B I.3. : Sismique diffraction C I.4. : Radar géologique D I.5. : Microgravimétrie F I.6. : EM 34 H

B.: Glossaire I

Stage professionnel S.N.C.F. I

Avril / Août 2008

Stage professionnel S.N.C.F. II

Avril / Août 2008

Stage professionnel S.N.C.F. III

Avril / Août 2008

Stage professionnel S.N.C.F. IV

Avril / Août 2008

Stage professionnel S.N.C.F. V

Avril / Août 2008

Stage professionnel S.N.C.F. VI

Avril / Août 2008

Stage professionnel S.N.C.F. VII

Avril / Août 2008

Remerciements

A la SNCF, je remercie mes tuteurs Vincent Talfumière et Serge Nebieridze pour leur aide tout au long du stage. Je remercie également Essam Heggy, mon tuteur IPGP.

Stage professionnel S.N.C.F. VIII

Avril / Août 2008

Résumé

La géophysique est utilisée au sein de la SNCF pour différentes applications. Ainsi, le radar de surface a été mis en œuvre au niveau de la Ligne Grande Vitesse Est Européenne afin de vérifier sa pertinence comme moyen d’auscultation rapide permettant de détecter des hétérogénéités sous les structures ferroviaires, et ce dans différents contextes géologiques. Les premiers résultats étant concluants, la méthodologie sera présentée à la Maîtrise d’Ouvrage afin d’être éventuellement employée sur toute la ligne. Au niveau des ateliers TGV de Montrouge, une campagne géophysique doit être mise en œuvre afin de déterminer l’état de carrières souterraines ( 25 à 30 m de profondeur) qui ne sont plus accessibles suite à des éboulements et de détecter des carrières non recensées. La méthode de la sismique réflexion a été testée au droit de carrières connues afin d’éprouver son aptitude à répondre à ces objectifs. Toutes les carrières connues ont été détectées, mais certaines anomalies ne sont pas identifiées. Des sondages y sont prévus afin de vérifier s’il s’agit de carrières non recensées. Si la méthode est validée, elle sera déployée à l’échelle du site. Des reconnaissances géophysiques sont également mises en œuvre lorsque des désordres affectent la plateforme ferroviaire. A Lille, suite à l’apparition de fontis à proximité des voies et à l’historique du site (déjà investigué et traité par le passé), une campagne de radar a été programmée afin de définir la présence ou non de vides et de circonscrire l’anomalie. Elle a permis de distinguer notamment l’importance d’un aqueduc au niveau des fontis. Des sondages ont été programmés afin de valider cette hypothèse. Enfin, une campagne de sondages à côté de Reims suite à l’apparition d’un fontis en plateforme sera présentée. Les sondages ont permis de relier les désordres à une absence de drainage. Une étude sera menée afin d’y pallier. Geophysics are used at the SNCF for different reasons. Surface radar was used as a quick and efficient way to detect heterogeneities under the railway platform at the East European High Speed Line on various geological contexts. The first results are positive. This method will therefore be submitted to the french railway infrastructure owner. A geophysical survey is programmed under the High Speed Trains maintenance workshops in Montrouge in order to assess the 25 to 30 m deep quarries’ condition (whose accesses have been made useless by landslides), and detect quarries not yet listed. The seismic reflection method was tested in order to see if it is apt to do so. All the known quarries were detected; however some anomalies have not been identified. They will be drilled in order to determine their origin (unlisted quarries or other) and confirm (or not) that the method is apt to be displayed on the whole site. Geophysical surveys are also undertaken if disturbances affect the railway platform. Near Lille for instance, a radar survey was programmed after three cave-ins appeared. It was supposed to assess the presence of any void in the ground and circumscribe the anomaly. An aqueduct seems to be the main cause for these cave-ins. Boreholes will enable to confirm (or infirm) this. Last, a drilling survey following a cave-in near Reims will be studied. It is most probably caused by a drainage failure underground. Solutions are being examined.


1

Introduction et objet du stage

Dans le cadre de mon année de M1 G2S (Géophysique de Surface et Subsurface) à l’Institut de Physique du Globe de Paris, j’ai effectué un stage professionnel de quatre mois, du 8 avril au 8 août 2008, à la SNCF, Direction de l’Ingénierie, Département Etudes de Lignes, Division Ouvrages en Terre. Dans le cadre de reconnaissances, de surveillance, ou encore de projets de recherche, la société met régulièrement en oeuvre des campagnes de mesures géophysiques afin d’ausculter le sous-sol à l’aplomb des plateformes ferroviaires. Les investigations géophysiques doivent permettre de :

• Définir la présence d’hétérogénéités du sous-sol (cavités, terrains décomprimés, circulations d’eaux, réseaux et autres)

• Préciser la nature des terrains (géologie) Il s’agit ensuite par la réalisation de sondages* de contrôle ou autres essais in situ, de vérifier et préciser la nature des anomalies détectées. En fonction des résultats, des comblements ou des confortements sont réalisés afin de traiter les problèmes rencontrés et de garantir la sécurité des circulations. Ces investigations peuvent également consister en un plot d’essais afin de valider ou non la pertinence d’une méthode dans un contexte donné avant d’effectuer des reconnaissances à grande échelle. Ma mission lors du stage a consisté en l’assistance à la définition des campagnes de reconnaissance, aux dépouillements des résultats et la synthèse des données. Ce rapport décrit le déroulement de mon stage. Les cas les plus représentatifs ont été retenus et sont présentés ci-après. Dans un premier temps, une partie du développement d’un projet sur la Ligne à Grande Vitesse (LGV) Est Européenne sera exposée à travers l’acquisition de mesures de géoradar et les résultats obtenus. Ensuite, à partir des archives sur les carrières de Montrouge et d’une campagne de sismique réflexion, nous verrons si cette méthode est pertinente pour la recherche de cavités non répertoriées et non accessibles sur le site. Puis dans la région de Lille, nous verrons comment l’apparition d’un incident le long de voies est gérée, de la définition des reconnaissances à leur analyse et aux préconisations apportées. Enfin, à travers l’exemple d’une campagne de sondages* dans la région de Reims, nous verrons un aspect des reconnaissances postérieur aux investigations géophysiques. En effet, toute reconnaissance géophysique doit être complétée par des sondages permettant de vérifier les anomalies. On trouvera en fin de volume des annexes techniques sur chaque méthode géophysique rencontrée, ainsi qu’un glossaire. Tous les mots pourvus d’une astérisque * y renvoient.


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I. La géophysique au sein de la SNCF (IG-LG-OT)

I.1. Présentation de la SNCF La Société Nationale des Chemins de Fer Français (SNCF) exploite actuellement 32 000 km de lignes dont 1 893 km de Lignes à Grandes Vitesse (LGV).

I.1.1 Historique

1937: Parution du décret de création de la SNCF pour 45 ans.

1982 : Création de l'Établissement Public Industriel et Commercial (EPIC) SNCF.

1991 : Adoption de la Directive européenne 91/440 relative au développement des chemins de fer communautaires.

1997 : Création de l’EPIC Réseau Ferré de France (RFF) par la loi n° 97-135 avec effet rétroactif au

1er janvier 1997. RFF a pour objet l’aménagement, le développement, la cohérence et la mise en valeur du réseau ferré national, dont il devient propriétaire.

La SNCF et ses filiales comptent environ 220000 salariés et s’organise en 4 branches (figure 1), correspondant à quatre grands types de besoins qu’elle s’efforce de couvrir :

le transport de voyageurs longues distances → Voyageurs France-Europe (VFE) le transport de voyageurs au quotidien → Transport Public - Proximité le transport de marchandises → Transport et Logistique l’entretien et l’exploitation du réseau ferré national. → Infrastructure

Figure 1: Organisation de la SNCF (SNCF).


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I.1.2 Direction de l’Ingénierie

C’est au sein de la branche Infrastructure que l’on trouve la Direction de l’Ingénierie, dont l’effectif total est d’environ 3500 personnes. Créée en 1998, celle-ci assure des missions dans les domaines d’intervention et d’expertise suivant : études d’aménagement et de faisabilité, spécifications techniques, ingénierie de la voie, assistance à la maîtrise d’ouvrage, conseils et expertises, développement de produits et systèmes, direction de projets. Pour exemple, la direction de projets implique des études préliminaires (études de faisabilité, d’exploitation, économiques), des études de tracé (recherche de tracé, topographie), le génie civil (ouvrages d’art*, tunnels, terrassements, insertion urbaine, géotechnique, hydraulique), le génie ferroviaire (assemblage du système, ingénierie de la voie), le génie électrique (installations fixes de traction électrique, mesures et essais, signalisation, télécommunications), des études liées à l’environnement (insertion des lignes dans le paysage, réduction des nuisances, végétalisation, traitement des déchets) etc. IG-LG est le département de l’Ingénierie qui s’occupe des études de lignes (LG). Ce département compte actuellement un effectif de 124 salariés. Il est organisé en six divisions, dont la Division Ouvrages en Terre (OT) au sein de laquelle j’ai effectué mon stage. Pour toutes les divisions du département IG-LG, on se référera à la figure 2. Les ouvrages en terre désignent l’ensemble des structures résultant des terrassements réalisés pour l’installation des voies ferrées, c'est-à-dire les remblais* et les déblais*. Ils peuvent être meubles ou rocheux et sont parfois appelés tranchées. Les parties latérales de ces ouvrages sont appelées talus ou parois quand elles sont rocheuses et approchent la verticale. La stabilité des ouvrages en terre dépend non seulement de la qualité et des caractéristiques des matériaux, mais aussi de l’état et du fonctionnement des dispositifs associés ou intégrés comme les systèmes de drainage, les dispositifs de protection et de confortement, et enfin les structures d’assises. La Division Ouvrages en Terre a notamment pour missions les études techniques, les expertises et la rédaction des référentiels techniques (relatifs aux domaines du Génie Civil de l’infrastructure, hors ouvrages d’art et tunnels).

Figure 2: Organisation du département Etudes de ligne IG-LG (SNCF).


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I.2. L’utilisation de la géophysique

I.2.1. Au sein d’IG-LG-OT

La géophysique est utilisée au sein du service Ouvrages en Terre afin de:

• Détecter la présence d’anomalies avant l’apparition d’un désordre. • Définir l’extension et l’importance des désordres lorsque ceux-ci sont apparus. • Tester des méthodes afin de pouvoir les utiliser dans le cadre des projets en cours ou à venir.

I.2.2. Désordres

Les désordres sur les Ouvrages en Terre sont d’une grande diversité et dépendent de la constitution, de la géométrie des ouvrages en terre et de leur environnement :

• Glissement et affaissement de talus meubles. • Gonflement, soulèvement de plate-forme. • Effondrement, affaissement (fontis causé par une cavité souterraine non décelée). • Coulée de boue. • Eboulement ou chute de blocs pour les tranchées et versants rocheux. • Erosion de talus.

Le type de désordre le plus fréquemment rencontré lors de mon stage est l’apparition de fontis : il s’agit de l’effondrement du toit d’une cavité ou d’une galerie souterraine et qui débouche en surface, avec affaissement local du sol, de forme conique ou cylindrique (remontée de voûte). L’affaissement peut être d’origine naturelle (dû à une cavité karstique en environnement calcaire ou gypseux, à un substrat rocheux faillé, à des circulations d’eaux souterraines…) ou anthropique (vieillissement d’ouvrages militaires enterrés, de carrières souterraines, de marnières, présence de vestiges archéologiques, de réseaux enterrés…). Les processus d’effondrement comportent la décompression naturelle du toit facilitant l’infiltration d’eau, le vieillissement des piliers sous la pression des terres dans le cas des carrières, la rupture ou le tassement du bouchon du puits d’une marnière (accrus par le ruissellement), la présence d’une poche de dissolution, ou encore un réseau faillé ou karstique. Cependant, il existe des facteurs aggravants, voire déclencheurs, tels que le climat (précipitations trop importantes, ou au contraire des fissures de retrait en cas de sécheresse, gel,…), la présence d’une nappe peu profonde stagnante ou circulante etc. Les photos 1 et 2 illustrent deux fontis apparus sur des ouvrages en terre. On comprend mieux pourquoi la détection de cavités souterraines, entre autres, représente un enjeu important au sein de la Division IG-LG-OT.


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I.2.3. Un exemple : découverte d’un fontis Lorsqu’un fontis est découvert, il est comblé soit par remblaiement en ballast*, soit par injection en béton liquide ou en grave* ciment. Si cela s’avère nécessaire, des mesures de sécurité pour les trains sont prises, comme l’arrêt total des circulations ou la mise en place d’une vitesse limitée sur la portion de ligne concernée etc. Du côté de l’ingénierie, l’ensemble des données disponibles est analysé, comme notamment les archives (anciennes campagnes de reconnaissance, rapports, SIG…) et les cartes géologiques du site. En fonction de l’étude de l’ensemble de ces données et selon la nature des terrains, la profondeur d’investigation voulue, et l’objectif recherché, une campagne de géophysique peut être engagée. Elle doit permettre d’obtenir des éléments de réponse quant à l’état des terrains (autour du fontis : zones décomprimées, présence de poches remplies d’un matériau différent de l’encaissant, réseau de fracturation…), le périmètre des anomalies etc. Une campagne géotechnique (sondages, analyse d’échantillons, essais in situ) est également réalisée. A l’issue de l’ensemble de ces investigations, des projets de confortement, de comblement,… sont mis en œuvre. L’autre axe d’étude d’IG-LG-OT est le développement de projets de recherche. Ces projets sont menés afin de tester les méthodes à mettre en œuvre dans le cadre de missions de reconnaissance et de surveillance.

Photo 1: Exemple de fontis sous une voie (SNCF).

Photo 2: Présence d'un fontis entre deux voies (SNCF).


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II. Applications de la géophysique

II.1. Détection de cavités sous la plateforme : LGV Est Européenne (radar de

surface)

II.1.1 Objet de la campagne Dans le cadre de la recherche de cavités, un système d’investigation par radar géologique de surface a été mis en œuvre sur la LGV Nord. L’objectif était de disposer d’un système d’auscultation rapide et fiable permettant de détecter des cavités sous la plateforme sur des linéaires (distances) importants. Le projet auquel j’ai participé avait pour objectif de vérifier la faisabilité et la pertinence de cette méthode sur la LGV Est. Pour cela, il s’agit dans un premier temps de tester la détection d’hétérogénéités connues sous les structures (comblement antérieur, dalle…), en utilisant la méthodologie définie pour la LGV Nord. Les cavités que l’on pourrait rencontrer sont celles liées aux exploitations souterraines (mines), aux phénomènes de dissolution et karstification, et aux vestiges souterrains de la première guerre mondiale. Sur la LGV Nord, la présence de limon (terrain conducteur) est défavorable à la propagation des ondes électromagnétiques et ne permet qu’une investigation superficielle. La nature des terrains sur la LGV Est, en revanche, doit permettre des reconnaissances à des profondeurs au-delà de 2 m (dans les terrains autres que les limons et argiles).

II.1.2 Campagne de géophysique Afin de répondre à ces objectifs, il a été décidé de réaliser des mesures tests sur des secteurs bien identifiés. Quatre secteurs, constitués essentiellement de calcaire, de pierre châline*, de marnes du gypse, d’argiles vertes et de limon, et représentatifs de la ligne ont été retenus. Les mesures test de géoradar ont été effectuées par GEOSCAN du 27 au 30 mai 2008. Dans un premier temps, un travail de synthèse des connaissances sur chaque secteur a été réalisé. Ces informations portent sur les résultats des précédentes campagnes de géophysique et géotechnique réalisées lors de la construction de la ligne, sur la géologie du site, sur les désordres répertoriés et sur les travaux effectués. Les résultats des mesures du géoradar ont ensuite été confrontés à ces informations. Descriptif de la campagne Par la suite, deux types de repérages apparaissent : km* ligne et km tronçon. Les km tronçon correspondent aux documents datant d’avant la construction de la ligne, tandis que les km ligne renvoient au repérage fait une fois la ligne construite. La relation entre les deux est la suivante : km ligne= km tronçon +167912. Cependant, les deux types de repérage étant positionnés sur la planche, il n’y a pas lieu d’effectuer la conversion. Nous décrivons ci-après la campagne de mesures sur un secteur telle que nous avons pu la contrôler lors de la nuit d’acquisition du 27 au 28 mai. L’acquisition a été réalisée de la même façon sur les trois autres secteurs.


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Le personnel mis en œuvre par l’entreprise était de deux géophysiciens et d’un aide. L’acquisition des données a été effectuée du km (ligne) 4.000 au km 5.150, dans le sens des km croissants sur la voie 1 (V1)*, puis dans le sens des km décroissants sur la voie 2 (V2)*. Pour chaque passage, les antennes utilisées, de 200 MHz chacune, étaient en mode bistatique* pour l’une, monostatique* (configurée pour la réception) pour l’autre, avec pour paramètres d’enregistrement :

• Temps d’écoute : 100 ns afin de visualiser 4m dans les sols avec l’antenne 200 MHz, • Cadence de tirs : 25 tirs/seconde sur 2 canaux d’acquisition simultanés (un pour le mode

monostatique et un pour le mode bistatique), • Sommation des tirs d’acquisition : 25 tirs en moyenne.

Au total, le déploiement du dispositif s’est fait de la façon suivante :

• Installation du système : 30 min (voir photos 3 et 4), • Calibrage : 20 min, • Mesures : 2h40, • Repli du matériel : 20 min.

Afin de se repérer, les mesures commençaient au niveau d’un poteau caténaire*. Une roue codeuse permettait ensuite de connaître le linéaire parcouru. Chaque poteau caténaire était repéré lors de l’acquisition pour pouvoir correctement recaler les mesures. Ce travail de repérage des mesures est primordial pour la suite des reconnaissances. En effet, les anomalies géophysiques détectées doivent pouvoir être correctement positionnées sur le terrain.

Pour chaque passage, l’entreprise a divisé l’acquisition en tranches de 100 m environ, en revenant un peu en arrière pour commencer chaque nouvelle tranche. Ceci permet de ne pas perdre l’ensemble des données en cas de problème, et d’assurer un recouvrement des mesures lors des arrêts. Le radar permet la visualisation en direct des mesures brutes, ainsi par exemple on voit sur la photo 6 l’anomalie induite par le câble (photo 5).

Photo 1 : Installation du laboratoire d’acquisition.

Photo 2 : Lorry.


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Photo 5: Câble en travers des voies.

Dans le cadre de ce rapport, seuls les résultats sur le secteur du km (ligne) 209.080 à 210.200 sont montrés par la suite.

II.1.3 Résultats des investigations On trouvera ci-dessous un descriptif de la zone du km (ligne) 209.080 à 210.200 tant en termes de géologie qu’en termes de reconnaissances, de désordres rencontrés et de traitements réalisés. Ces résultats sont reportés sur la planche 1, conjointement avec les résultats de la campagne radar de 2008. Les investigations actuelles sur ce secteur doivent permettre de :

• Tester la méthode radar dans un contexte de limon sur calcaire, puis calcaire seul. • Etudier le terrain au niveau d’une zone particulièrement remaniée (dalle béton, cavités remblayées

ou traitées…). Précédentes campagnes de reconnaissance Des investigations sur ce secteur ont été réalisées par le passé, permettant de comparer les résultats. Ainsi, à l’occasion de la construction de la ligne, des reconnaissances de radar et d’EM 34 (méthode électromagnétique basse fréquence) ont été réalisées en décembre 2003 et en 2004. L’EM 34 permet de voir des contrastes de résistivité* dans les sols, tandis que le radar est sensible aux contrastes de permittivité* et de conductivité électrique*. En décembre 2003 et février 2004, SEGG a réalisé 21 profils radars et 7 profils d’EM 34 du km (tronçon) 42.040 à 42.400 et du km 41.240 à 41.400, et implantés de la façon suivante:

• Au droit de l’axe de la plateforme (entrevoie), • A 1.45m de part et d’autre de l’axe, • A 3.05m de part et d’autre de l’axe, • A 5m de part et d’autre de l’axe.

Photo 6: Anomalie associée au câble visible en temps réel.

Vers Paris

41.490 41.790 42.29041.99041.69041.590 42.19041.890 42.090

209.000 209.100 209.200 209.300 209.800209.400 210.100209.900209.700209.500 209.600 210.000 210.200km ligne

km tronçon 41.390

Cavité traitée (injections)Anomalie radar 2003-2004

Anomalie hyperbolique radar 2003-2004

Anomalie EM 34 2004

Anomalie hyperbolique radar 2008

Anomalie radar 2008

Légende

Comblement de la dalle?

Pon

t rou

te

41.090 41.190 41.290

A3A2

Anomalie micro-gravimétrique

Vers Paris

cause selon l'Entreprise

2004

nature

Vers Strasbourg

Vers Strasbourg

Décalage des réflecteurs Décalage des réflecteurs

Rupture et disparition des réflecteurs

Effondrement remblayé mais non traité

Axe de la plateforme

Axe de la plateforme

Dal

le b

éton

mmax: -49 galmax: -93 mgalmax: -24mgal

pollution du ballast

LGV Est Européenne: lot 31, Déblai 504

Synthèse des reconnaissances

pk 209.080 à 210.200

N

O

S

E

Radar 2004 et 2008

V1

V1

V2

V2

Calcaire à débris Limon sur calcaire Calcaires altérés Calcaires à débris Pierre châline Calcaire cryptocristallin

Microgravimétrie et EM 34

Sols hétérogènes

A1

Cavité avec barres d'erreur sur sa position

100 m

4.50 m

Planche 1: Synthèse des résultats des reconnaissances sur un secteur donné


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Dans l’ensemble, les anomalies radar sont peu marquées et se dissocient difficilement de la géologie, sauf pour quatre anomalies :

• Km 42.045 en V2 : hyperbole de diffraction très ponctuelle, • Km 42.131 en V2 : décalage des réflecteurs, • Km 41.975 en V1: rupture et disparition des réflecteurs plans, • Km 41.955 à 41.965 en V1 et EV: décalages des réflecteurs.

L’EM 34 montre des anomalies aux positions suivantes :

• Km 41.240 – 41.320 de V1 à V2: trois anomalies contiguës, • Km 41.650 – 41.740 de V1 à V2, • Km 41.835 – 41.940 de V1 à V2.

Aucune de ces anomalies, tant en radar qu’en EM 34, n’était importante. Suite à ces investigations, il avait été préconisé de procéder à une reconnaissance microgravimétrique afin de caractériser ces anomalies et de mettre en évidence la présence éventuelle de vides. Lors de la campagne de microgravimétrie, trois anomalies significatives ont alors été identifiées, dont une en relation avec un pont autoroutier :

Km (tronçon) Amplitude max

observée (µgal) Observations

42.133 – 42.178 -49 Notée A3. Coïncide avec une anomalie en radar en

2004 et 2008.

41.270 – 41.281 - 24 Notée A1. Coïncide avec une anomalie en EM 34

et radar 2008.

41.487 – 41.530 -93 Notée A2. Anomalie non corrigée liée au pont

autoroutier. Masque éventuellement une anomalie profonde.

Tableau 1: Anomalies microgravimétriques observées en 2004

L’anomalie microgravimétrique A3 avait permis de trouver une cavité qui a été traitée par la suite. Une dalle béton a été réalisée du km 42.140 à 42.182.


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Résultats de la campagne de 2008 Celle-ci n’a détecté aucune cavité franche, mais trois anomalies significatives ont été observées:

• km (ligne) 209.183 à 209.187 : correspondrait à une pollution du ballast, • km (ligne) 209.750 à 209.758 : correspondrait à des sols hétérogènes, • km (ligne) 210.074 à 210.080 : identifiée à la dalle béton.

Cette dernière anomalie correspondrait d’après l’Entreprise à la présence de sols traités et se situe dans une zone d’anomalie plus étendue du km 210.038 à 210.081 (définie comme étant un changement de nature de terrain). Elle correspond donc effectivement à la dalle béton.

II.1.4 Conclusion

Sur le secteur présenté ici, on note que :

• le géoradar a détecté les hétérogénéités (dont notamment la dalle béton), • le signal est non pollué (pas de trop nombreuses anomalies), • il n’y a pas d’atténuation importante du signal (les ondes se propagent de façon satisfaisante).

A priori, sur ce secteur, le géoradar semble donc pertinent pour la recherche de cavités à grande échelle. Cependant, tous les résultats n’ont pas encore été dépouillés. Cette conclusion est donc provisoire.

Figure 3: Radargramme traité (2008): Anomalie au niveau de la dalle béton (antenne 200 MHz monostatique) (GEOSCAN / SNCF).


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II.2. Détection de carrières sous les ateliers de Montrouge (sismique)

II.2.1. Objet de la campagne Les ateliers de maintenance des TGV de Chatillon-Montrouge (92) sont situés sur d’anciennes carrières de calcaire. D’après des forages* réalisés à proximité, on trouve jusqu’à environ 15m de profondeur des alternances de marnes et calcaires, marnes et grès et de marnes et caillasses. A partir de 15m, on trouve le calcaire grossier exploité dans les carrières. Ces carrières souterraines peuvent être divisées en deux zones : d’une part une zone visitable, et d’autre part une zone où des éboulements au niveau des puits d’accès ne permettent plus de pénétrer dans les carrières. De plus, différents désordres (fontis) sont récemment apparus à proximité. En outre, une partie de cette zone n’ayant pas été reconnue par l’Inspection Générale des Carrières (IGC), toutes les cavités ne sont pas connues. Il a donc été proposé de réaliser des mesures géophysiques de surface. La campagne devra permettre de :

• Déterminer l’origine des désordres, • Identifier l’état des galeries connues mais non accessibles suite aux éboulements, • Repérer l’existence, la position et l’état d’éventuelles galeries non recensées.

D’après l’IGC, il existe trois niveaux d’exploitation des carrières, et donc trois horizons auxquels on peut trouver des galeries. Situées entre 15 et 25 m de profondeur, celles-ci ont une hauteur comprise entre 1.5 et 2.5 m. Etant donné les profondeurs à atteindre, la taille des cavités à détecter et le contexte du site (voies sur fosses, ateliers, bâtiments, dalle béton,…), seule une méthode apparaissait pouvoir répondre aux objectifs : la sismique réflexion très haute résolution (THR). Il faut cependant noter que les carrières étant construites sur trois étages, la sismique peut n’en voir qu’une seule (masquant les autres niveaux au droit du même point). Afin de s’assurer de la faisabilité et de la pertinence de la méthode, des mesures tests ont été réalisées. Si ces mesures sont concluantes, il sera possible d’implanter plusieurs profils pour que les investigations couvrent l’ensemble du secteur à reconnaître.

II.2.2. Campagne de géophysique

Dans le cadre de ces tests, trois profils de 100 m chacun ont été réalisés sur trois types de surface : bitume, dalle béton atelier ancien, dalle béton atelier récent :

• Profil P1 : en dehors des ateliers au dessus de galeries identifiées sur une partie bitumée ne présentant pas de dalle béton, afin d’étalonner la méthode.

• Profil P2 : sur une dalle béton, au niveau de la partie la plus récente des ateliers, qui constitue la plus

grande surface d’investigation. Des cavités sont recensées en fin de profil.

• Afin d’être exhaustif, un troisième profil P3, au niveau de la partie la plus ancienne des ateliers, sur une dalle béton également, mais de nature différente de celle en P2.

CGGVERITAS a effectué les mesures du 17 au 27-03-08. Les profils ont été implantés de façon à recouper d’anciennes galeries de positions connues, les niveaux à atteindre se situaient à 25m. On trouvera sur la page suivante une photo illustrant l’acquisition. On notera la présence d’une flache observée le long de P1. La position des profils est illustrée sur la figure 4.


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L’entreprise avait pour mission de réaliser un traitement classique des données, sans connaître au préalable a position des carrières. Les paramètres d’acquisition pour chaque profil ont été les suivants:

• Source sismique : masse anti-rebond • Distance entre points de tir : 1 m • Position du tir : tir entre 2 traces successives • Nombre de traces : 101 • Capteurs : 101 géophones verticaux HF-10, 10 Hz (1 par trace) • Intertrace : 1 m

Avec comme paramètres d’enregistrement :

• Pas d’échantillonnage : 0.5 ms • Durée d’enregistrement : 2 secondes

Photo 3: Acquisition le long de P1. On note une flache.


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Figure 4: Position des profils et des galeries connues


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II.2.3. Traitements et résultats

Les méthodes ainsi que les traitements correspondants suivants ont été appliqués :

Méthode Traitement appliqué Résultat

Sismique réflexion THR

• Import des coordonnées et localisation de la position des géophones et points de tir

• Edition des traces* • Récupération des amplitudes et gains • Déconvolution* • Filtres* • Corrections statiques* • Correction NMO* • Stack*

Sections sismiques (signal représenté par le temps d’aller-retour en

fonction de la position sur le profil)

Ondes de surface (MASW)

En plus des séquences de la sismique classique (voir ci-dessus) :

• Création d’une fenêtre glissante d’analyse d’environ 15 à 30 géophones afin de s’affranchir des effets de champs proches* et lointains* et des effets de bord.

• Transformation du signal espace-temps en signal fréquence-vitesse de phase pour chaque fenêtre d’analyse (courbes de dispersion).

• Réalisation de la section 2D par corrélation entre différents modèles 1D obtenus pour chaque courbe de dispersion

Section 2D de vitesse des ondes S

Sismique diffraction

• Filtrage des signaux ne correspondant pas à des diffractions

• Migration du signal

Section 2D des amplitudes du signal.

Tableau 2: Etapes du traitement pour chaque méthode sismique.

Ces deux dernières méthodes ont été appliquées par l’Entreprise afin de mieux exploiter les données brutes et de mieux mettre en évidence les anomalies pouvant correspondre à des galeries vides plus ou moins comblées. Contrairement aux deux autres méthodes, les ondes de surface n’ont une profondeur de pénétration que de 10 à 12m. On se reportera aux annexes techniques pour plus d’explications sur ces méthodes. Toutes méthodes confondues, trois types d’anomalies ont été mis en évidence :

• Hyperbole de diffraction (nommées H dans le tableau 3) • Zone d’atténuation du signal (A dans le tableau 3) • Effet de tranchée (variation latérale des signaux sur une certaine hauteur de la section) (T dans le

tableau 3) On retrouve des anomalies des trois types sur les trois profils, aussi bien en sismique classique qu’en ondes de surface et en diffraction, donnant des indices de cavités aux positions repérées par leur Common Depth Point (CDP*) dans le tableau 2. Les quatre figures suivantes (5, 6, 7, et 8) montrent à titre d’exemple les résultats des mesures pour le profil P1. On trouvera également le tableau 3 récapitulant les positions des principales anomalies pour chaque méthode.


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Figure 5: Profil P1: Section de sismique réflexion THR traitée et interprétée (CGGVeritas / SNCF).

Figure 6: Profil P1: Section de sismique réflexion THR traitée et interprétée (traitement différent qu'en figure 5) (CGGVeritas / SNCF).


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Figure 7: Profil P1: Section de sismique en ondes de surface traitée et interprétée (CGGVeritas / SNCF).

Figure 8: Profil P1: Section de sismique diffraction traitée et interprétée (CGGVeritas / SNCF).


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Profil Méthode Nature et position des anomalies (CDP)

Sismique classique

A3 :

27 – 33 A

A2 : 52 – 70 H, A, T

A1 : 89 – 151 H, A, T

Ondes de surface

M1’ M1 :

Corrélée avec A3 M2 :

Corrélée avec A2 M3 :

Corrélée avec A1 M4

1


37 - 41 60 - 64 71 – 75 et 75 - 145 170 - 175

Sismique classique

A4 :

60 – 76 H, A

A5 : 120 – 141

A,T

A6 : 170 - 182

A,T

Ondes de surface

M5 M6 M7 :

Corrélée avec A5

2


25 - 35 61 - 78 85 – 105 et 110 - 154

Sismique classique

A8 :

42 – 54 A, T

A7 : 68 – 106 A, T

Fin du profil : nombreuses H

Ondes de surface

M10 M8 :

Corrélée avec A8 M9

3


36 - 40 46 – 58 66 - 99 108 - 125 161 - 166

Tableau 3: Position et nature de chaque anomalie détectée par chaque méthode.

En observant dans ce tableau pour chaque profil à quelles positions au moins deux méthodes montrent des anomalies, on peut raisonnablement suspecter la présence de cavités/galeries aux endroits suivants :

• P1 : quatre anomalies, respectivement aux CDP 27 – 41, 52 – 75, 89 – 151 et en fin du profil, • P2 : trois anomalies, respectivement aux CDP 60 – 78, 85 – 154 et 170 – 182, • P3 : quatre anomalies, respectivement aux CDP 36 – 40, 42 – 58, 66 - 106 et en fin du profil.

Il faut noter que sur une partie de P2 et P3, ainsi que sur toute la zone entre ces deux profils, l’IGC n’a pas effectué de reconnaissance exhaustive des carrières. On trouvera ci-après une comparaison des résultats avec la position des carrières (figure 9 et tableau 4).


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Figure 9: Position des anomalies identifiées sur chaque profil d'acquisition.


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Profil Anomalie mesurée

(CDP) Galerie / puits d’accès… Commentaires

27 - 41 Galerie parallèle 10m à l’est, à priori non détectée par la sismique, mais présence

d’un regard Anomalie à vérifier

52 - 75 Deux intersections perpendiculaires de galeries connues avec le profil, flache en

fin d’anomalie

Galeries connues confirmées, flache au

CDP 70

89 - 151 Galeries presque parallèles

Effet latéral des galeries connues, mais il en existe peut-être d’autres non recensées

1

Fin de profil Ancien puits d’accès comblé Puits détecté

60 - 78 Ni galerie ni puits recensé Anomalie à vérifier

85 - 154 Galeries recensées au sud, mais à priori

non détectées par la sismique Anomalie à vérifier 2

170 - 182 Galeries au droit du profil Cavités détectées

36 - 40

Galerie perpendiculaire (avec ancien puits d’accès au CDP ≈ 40, à ≈ 5 m à l’ouest du profil), peut-être reliée à la galerie 10 m à

l’est

Galerie et puits détectés

42 - 58

66 - 106

3

Fin de profil

Ni galerie ni puits recensé Anomalies à vérifier

Tableau 4: Contexte associé à chaque anomalie.

II.2.4. Interprétation

• Sur le profil P1, les anomalies semblent a priori correspondre aux galeries identifiées sur les cartes du site. Seules les anomalies en début de profil et au CDP 89 – 151 correspondent peut-être à une carrière non recensée.

• Concernant P2, les galeries en fin de profil sont confirmées par les trois méthodes, tandis que les deux premières anomalies ne correspondent pas à des galeries connues (l’IGC n’ayant d’ailleurs pas effectué de reconnaissance sur cette zone).

• Enfin, en P3, trois anomalies détectées sont situées sur des zones non reconnues par l’IGC. L’anomalie en début de profil est proche d’une galerie perpendiculaire et d’un ancien puits d’accès comblé. Le schéma et l’anomalie détectée suggèrent que cette galerie est peut-être reliée à celle située à 5 m à l’est.

A priori, la méthode de la sismique réflexion THR a confirmé l’existence et la localisation de toutes les galeries connues proches des profils, avec cependant une précision variable. Six anomalies découvertes ne correspondent à rien de connu. Ces anomalies seront contrôlées à l’aide de sondages destructifs dans le but de valider la méthode.


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II.2.5. Conclusion La méthode de la sismique réflexion THR a été mise en œuvre dans le but de tester son aptitude à détecter des hétérogénéités sous les ateliers TGV de la commune de Montrouge. Les résultats des mesures, faites le long de trois profils sont, sous certaines réserves, dans un premier temps concluants. Des sondages de contrôle seront réalisés afin de pouvoir conclure définitivement :

• Pour chaque anomalie détectée ne correspondant à aucune carrière connue, des sondages seront effectués afin de vérifier l’état des sols et la présence ou non d’une galerie non encore recensée.

• Dans le but de contrôler l’état des cavités confirmées, mais non visitables, et des sols à proximité de celles-ci, d’autres sondages seront également réalisés.

Le choix des positions d’implantation des sondages se fait à partir des sections traitées. Les CDP au plus fort des anomalies les plus marquées sont repérés, puis matérialisés à la peinture sur le site. Au total, l’implantation de dix sondages de 25m chacun a été décidée :

Profil Position du sondage (CDP) Justification

30 Définir l’origine de l’anomalie observée

41 Vérifier l’état de la carrière

60 Vérifier l’état de la carrière (présence d’une flache) 1

107 Définir l’origine de l’anomalie observée

67

130 Définir l’origine des anomalies observées

2

176 Vérifier l’état des carrières

49

92 3

163

Définir l’origine des anomalies observées

Tableau 5: Sondages préconisés.

Les carrières étant dans du calcaire, les sondages seront de type destructif en mode rotopercussion (le train de tige tourne et percute le sol simultanément) et avec enregistrement des paramètres suivants :

• Vitesse d’avancement* • Pression sur l’outil*, • Pression de retenue*, • Pression d’injection*, • Débit d’injection*, • Couple de rotation*, • Percussion réfléchie*.

En cas de rencontre d’un vide, l’Entreprise procède à un réalésage : le diamètre du trou est augmenté afin de permettre le passage d’une caméra afin d’établir une carte cotée de la carrière. Les résultats permettront d’une part de vérifier si les anomalies non confirmées révèlent un désordre ou un artefact lié aux mesures, et d’autre part d’obtenir des informations sur l’état des terrains au niveau des galeries. Cela permettra de confirmer ou non l’utilisation de la méthode à l’échelle du site. A terme, si la méthode est validée, sa mise en œuvre sur le site permettra de recenser l’ensemble des galeries non encore reconnues, leur position et leur état.


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II.3 Apparition d’un fontis dans la région de Lille : investigation (radar)

II.3.1. Présentation de la campagne Le 28/05/08 trois fontis sont apparus sur la ligne Fives – Abbeville dans la région de Lille : au km (ligne) 5.326 en PV2* (profondeur 0.30 m, diamètre 0.60 m), au km 5.338 en PV1* (profondeur 1.20 m, diamètre 0.60 m) et enfin au km 5.339 en banquette de ballast côté V2 (profondeur 0.30 m, diamètre 0.60 m). Différents désordres ont déjà par le passé affecté le site (fontis, affaissements…) entre les km 5.300 et 5.460, et notamment à proximité d’un aqueduc* situé au km 5.338. Des campagnes de reconnaissances (microgravimétrie, sondages) et des traitements par injection avaient été menés afin de circonscrire les désordres. Suite à l’apparition des fontis et au vu de l’historique du site, il a été préconisé de réaliser une campagne de mesures radar afin de déterminer l’extension des anomalies du site. La méthode du radar géologique de surface a été choisie au vu de la nature du terrain (craie blanche, donc propice à la propagation des ondes électromagnétiques), et afin de pouvoir comparer les résultats avec ceux d’une campagne radar effectuée sur le même site en 2005 par le LERM (Laboratoire d’Etudes et de Recherche sur les Matériaux).

II.3.2. Campagne de géophysique Les mesures ont été réalisées par GEOSCAN en juin 2008 suivant cinq profils de 100 m chacun. Leur position a été choisie de façon à cartographier les terrains au droit de l’aqueduc, probablement à l’origine des fontis. Ils doivent également recouper les anciens fontis recensés. Ce sont les mêmes que ceux implantés lors de la campagne de 2005, ce qui permet de comparer les résultats :

• Piste voie 1 : profil P1, sur la banquette de ballast, le long de la limite extérieure des traverses • Axe voie 1 : profil V1 • Entrevoie : profil EV • Axe voie 2 : profil V2 • Piste voie 2 : profil P2, sur la banquette de ballast, le long de la limite extérieure des traverses

Trois antennes radar ont été utilisées en mode monostatique :

• L'antenne basse fréquence 200 MHz (qui permet (en théorie) de détailler les anomalies dans la tranche de sol comprise entre 0 et 5 m).

• L'antenne moyenne fréquence 400 MHz (qui permet de détailler les anomalies dans la tranche de sol comprise entre 0 et 3 m).

• L'antenne haute fréquence 900 MHz (qui permet de détailler les anomalies dans la tranche de sol comprise entre 0 et 1.5 m).

Photo 4: Position du fontis côté V2.


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Avec chacune des antennes 200 MHz et 400 MHz, les profils dans l’axe des voies ont été mesurés selon 2 configurations :

• Une configuration d’antenne dite « normale », avec les dipôles d’antennes perpendiculaires à l’axe des voies

• Une configuration d’antenne dite « croisée », avec les dipôles d’antennes parallèles à l’axe des voies qui permet de s’affranchir en grande partie des perturbations générées par la présence des rails, caténaires, traverses etc.

II.3.3. Résultats et interprétation Campagne de 2008 Suite à ces reconnaissances, l’Entreprise n’a pas détecté de cavité franche. Cependant, des anomalies ont été identifiées. Elles peuvent correspondre à des sols décomprimés ou des cavités remblayées. On se reportera à la figure 11. Neuf anomalies nettement marquées ont été détectées, dont quatre suivant l’axe de l’aqueduc. De plus, dix-sept hétérogénéités peu importantes ont été signalées. Probablement liées à la géologie du site, elles ne sont pas à prendre en compte. Il apparaît que certaines anomalies présentent un alignement, tandis que d’autres sont isolées. L’extension longitudinale (dans le sens des voies) de ces anomalies n’est jamais supérieure à 2-2.5 m. L’Entreprise a choisi comme point de référence le support de poteaux caténaires. Ce point est appelé par la suite point métrique 0 (PM 0), et les points croissent dans le même sens que les km. Au niveau des fontis aux PM 43 de P1 et 46 de P2, les anomalies sont strictement alignées. Les deux fontis semblent liés à la présence de l’aqueduc. Celles-ci présentent sur l’image radar un faciès « anthropique », à savoir un écho supérieur strictement horizontal (cf. figure 10), et correspondent à la présence de l’aqueduc. De plus, l’examen visuel du fontis en P2 montre nettement la présence d’une dalle à environ 50 cm sous la surface (figure 11). Campagne de 2005 En août 2005, le LERM avait réalisé une campagne de mesures radar entre les km 5.300 et 5.400 de la ligne Fives à Abbeville suite à l’apparition d’un fontis au km 5.336 côté V2. Les mesures avaient été faites avec une antenne de bande passante* 150-750 MHz. Cinq profils du km 5.295 à 5.395 ont été implantés en P1, V1, EV, V2 et P2. Les mesures de 2005 avaient montré :

• Une zone comprenant quatre anomalies radar traversant les voies au niveau des trois fontis, ce qui recoupe les mesures de 2008.

• Km 5.312 : anomalie radar de faible extension en P1 et V1, que l’on retrouve plus étendue en 2008 (de P1 à V2)

• Km 5.350 : petite anomalie résiduelle en EV, correspond en 2008 à une zone d’hétérogénéité moyennement marquée de P1 à P2 entre les km 5.340 et 5.360

• Au niveau du poteau caténaire 5.17 (km 5.370) : trois anomalies ponctuelles et ballast injecté (correspondant au chantier d’injection réalisé en 2005) en P1, EV et P2, correspondent en 2008 à des anomalies stratigraphiques et des hétérogénéités moyennement marquées.

De 2005 à 2008 on ne note pas d’évolution majeure, sauf au km 5.312 et 5.340 à 5.360.


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Figure 10: Radargramme traité (2008): Anomalie nettement marquée au PM 48 en V2 (antenne 200 MHz ) (GEOSCAN).


24

Figure 11: Positions des anomalies identifiées en 2005 et en 2008. Une photo du fontis côté V2 avec la dalle visible est associée.


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II.3.4. Conclusion

Après analyse des radargrammes et du rapport, des sondages de contrôle sont proposés :

• D’une part afin d’étalonner les anomalies radar et de les confirmer ou non, • D’autre part afin de vérifier l’état des terrains à proximité de l’aqueduc.

Le radar ne donnant des informations que jusqu’à une profondeur d’environ 5 m, et d’autre part les sondages de contrôle antérieurs n’indiquant aucune anomalie au-delà de 8 m, les sondages de contrôle à venir doivent atteindre 8m de profondeur. Ils seront par ailleurs de type destructif en mode rotation pure avec enregistrement des paramètres suivants :

• Vitesse d’avancement • Pression sur l’outil • Pression de retenue • Débit d’injection.

Les désordres étant récurrents au niveau de l’aqueduc, il a été demandé aux services compétents de la ville de procéder à l’étude et à la mise en conformité de l’aqueduc.


26

II.4. Après la géophysique, le contrôle des anomalies : forages à Reims Suite au fontis découvert le 23 mai 2008 au km 9.745 sur la ligne de Reims – Laon, cinq sondages, de 10m chacun, ont été réalisés dans le but de :

• définir la présence de vides • circonscrire l’anomalie

La société GEOSOND a réalisé les sondages aux positions suivantes (cf. figure 13): un dans le fontis (S1), deux à 2 et 1.5m de part et d’autre du fontis dans l’axe de PV1 (S2 et S4), un en V1 au droit du fontis (S3), un en V2 au droit de SD4 (S5). Tous montrent des terrains « décomprimés », voire « très décomprimés », sur environ 4m de hauteur (excepté sur le sondage S5 réalisé en V2 où les terrains décomprimés atteignent 6-7 m de profondeur). Un sondage complémentaire a été effectué côté V1 en plateforme au droit du fontis, à 4m de celui-ci (S6). On trouvera ci-après les résultats des sondages. L’observation du site montre un bassin versant côté V1 orienté vers la plateforme (photo 10), et le passage d’un cours d’eau en contrebas côté V2 à environ 20m. Ceci suggère l’existence de circulations d’eau sous les voies, avec éventuellement des points d’accumulation de l’eau, ce qui expliquerait les terrains décomprimés. Une étude sera mise en œuvre afin de pallier à l’absence de drainage et afin de limiter les circulations d’eau souterraines à l’aplomb des voies. Suite aux résultats des reconnaissances, la limitation temporaire de vitesse (LTV) mise en place côté V1 a été levée sous réserve du maintien d’une surveillance bi-hebdomadaire du site et en cas d’intempéries.

Photo 10: Site du fontis. La photo est prise côté V1 en regardant vers Laon. L'orientation du bassin versant vers la

plateforme est bien visible.

Photo 9: La foreuse.


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Exemple d’interprétation d’un sondage : S3 entre 2 et 4 m

Sur la figure 12, les paramètres enregistrés lors du sondage S3 montrent entre 2 et 4 m :

• Une vitesse d’avancement (VIA) très élevée (supérieure à 80% de la vitesse de calage au vide), • La pression d’injection (PI) et la pression sur l’outil (PO) chutent, • Une pression de retenue (RT) très élevée.

Tout ceci indique une forte décompression du sol traversé. Ce type d’interprétation se fait sur toute la longueur de chaque sondage. La prise de décision concernant les problèmes liés aux désordres se fait en fonction de ces interprétations. La figure suivante montre les résultats des vitesses d’avancement pour chaque sondage, ainsi que sa position sur le site.

Figure 12: Paramètres d’enregistrement et interprétation du sondage S3 (GEOSOND).

VIA PO

PI

RT


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Figure 13: Position et résultats des vitesses d’avancement de chaque forage.


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Conclusion

Dans le cadre de l’assistance au pilotage de reconnaissances géophysiques à la Direction De l’Ingénierie de la SNCF, et plus particulièrement à la Division Ouvrages en Terre du Département Etudes de Lignes, j’ai pu étudier différents cas d’application de la géophysique. Le radar a été testé pour la recherche d’hétérogénéités à faible profondeur (2 à 5 m) et à « grand » rendement sur quatre secteurs de la LGV Est Européenne. Les premiers résultats étant positifs, la méthode sera présentée à la maîtrise d’ouvrage afin d’être appliquée à l’ensemble de la ligne. Pour la détection de carrières à grande profondeur (25 à 30 m), des méthodes sismiques ont été testées (ateliers de Montrouge). L’objectif était d’atteindre cette profondeur et de détecter les carrières connues. La sismique a répondu à ces objectifs. Des sondages devront déterminer l’origine de certaines anomalies non identifiées avant de pouvoir valider la méthode à l’échelle du site. Des reconnaissances ont également lieu lorsque des désordres apparaissent. Ainsi, à Lille, l’apparition de fontis a provoqué la mise en œuvre d’une campagne de géoradar. Celle-ci a permis d’identifier des anomalies, notamment au droit d’un aqueduc. Des sondages permettront de déterminer l’état des terrains autour de l’aqueduc et de confirmer ou non les autres anomalies. De même, des sondages de contrôle ont été implantés suite à l’apparition d’un fontis en plateforme (Reims). Ces sondages ont permis de circonscrire les terrains décomprimés. L’interprétation des sondages ainsi que l’observation du site (d’un côté de la plateforme un bassin versant orienté vers celle-ci, de l’autre des terrains en pente débouchant sur un canal) a permis de conclure à des circulations d’eaux sous la plateforme. Une étude de mise en place d’un système de drainage est prévue afin de remédier à cela.

J’ai également pu apprécier l’ampleur du travail à réaliser en amont d’une campagne géophysique afin de la rendre possible. Le choix de la méthode en fonction de l’objectif à atteindre, de la nature du terrain, et du rendement souhaité ainsi que l’obtention du financement sont primordiaux. De même, la géophysique n’étant qu’une étape de l’étude, une fois la campagne réalisée et les résultats dépouillés, plusieurs possibilités se présentent. Une campagne complémentaire peut être programmée, des traitements ou des travaux décidés, des mesures de sécurité déployées… J’ai ainsi pu replacer la géophysique dans un contexte d’étude dans le domaine ferroviaire. Sur un plan plus personnel, ce stage est le premier que j’effectue dans une entreprise. J’ai eu l’occasion de voir comment sont appliquées dans le monde professionnel les connaissances que j’ai acquises lors de cette première année de master. Le stage m’a également permis de découvrir l’utilisation de la géophysique dans le monde ferroviaire que je ne soupçonnais pas. A ces deux titres, il aura été très formateur.


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Bibliographie

Cette bibliographie est non exhaustive. BITRI, PERRIN et BEAUCE, Sismique réflexion haute résolution : principes et applications, Rapport du BRGM R 39220, 1993 DIAMENT (Michel), DUBOIS (Jacques), Géophysique, éd. Dunod 2005 FAUCHARD (Cyrille), MERIAUX (Patrice), Méthodes géophysiques et géotechniques pour le diagnostic

des digues de protection contre les crues, éd. Cemagref 2004 FAUCHARD (Cyrille) et POTHERAT (Pierre), Détection des cavités souterraines par des méthodes

géophysiques, LCPC 2004 FOUCAULT (Alain), RAOULT (Jean-François), Dictionnaire de géologie, éd. Dunod 2005 GRANDSERT (Philippe), LGV Nord : Station d’essais des méthodes géophysiques de détection de cavités

sous voies, Revue Géénérale des Chemins de Fer, numéro 47 HANICOTTE (Monique), PERCHAT (Jean), Dictionnaire général des travaux publics, éd. ARCATURE 1998 NEUMANN, La gravimétrie de haute précision, application à la recherché de cavités, Geophysical Prospecting Vol. XV-1 1967 REYNOLDS, An introduction to applied and environmental geophysics, éd. John Wiley and Sons 2000 http://www-ig.unil.ch/cours/geophysa/c_sisa.htm http://geo.polymtl.ca/ http://www.geologie.ens.fr/~vigny/cours/chp-gphy-3.html http://www.bemccandless.net/images/Buerger/Diffraction L’essentiel de ma documentation a cependant consisté en divers documents appartenant à et internes à la SNCF, dont certains sont confidentiels :

• Rapports de campagnes géophysiques et géotechniques, • Fichiers destinés à la formation, • Notes internes, • Archives sur chaque projet.


A

Annexes

I. Méthodes géophysiques : Principes et objectifs

I.1. Sismique réflexion

I.1.1 Principe de la sismique réflexion La sismique réflexion est l’étude de la propagation des ondes mécaniques de volume (ondes P) générées par une source sismique artificielle et de leurs interactions avec les hétérogénéités rencontrées dans le sous-sol. Le domaine fréquentiel concerné en génie civil est de l’ordre de la dizaine à quelques centaines de Hertz. La possibilité d’enregistrer des ondes réfléchies est liée à l’existence d’un miroir correspondant à une interface lithologique permettant au phénomène de la réflexion de se produire. L’énergie réfléchie varie en fonction du coefficient de réflexion K qui dépend essentiellement de la différence d’impédance acoustique (produit de la vitesse par la densité) entre les deux terrains en contact. Les grandeurs mesurées sont présentées sous forme de sismogrammes, où en abscisses pour chaque couple géophone-point de tir sont représentées, en ordonnées, les variations des amplitudes des ondes en fonction du temps de propagation (aller-et-retour), généralement mesuré en secondes ou millisecondes. Les amplitudes associées aux interactions des ondes avec les hétérogénéités du sous-sol sont représentées en plan (sinusoïde).

Géométrie des rais incident, réfléchi et réfracté. (http://www.geologie.ens.fr/~vigny/cours/)

Rais réfléchis et réfractés sur des interfaces (http://geo.polymtl.ca/)


B

I.1.2 Objectif de la sismique réflexion

L’objectif de la sismique réflexion est de fournir une coupe verticale des structures géologiques localisées en profondeur. Le profil sismique constitue une véritable échographie du sous-sol. C’est la seule méthode géophysique qui puisse fournir une image quasi-continue de la succession des terrains et de leur agencement structural en profondeur. La profondeur de pénétration augmente avec la longueur d’onde, au détriment de la résolution. Cependant, en géophysique de surface, les profondeurs visées sont en général de 50 m. La pénétration ne dépend que de la longueur d’onde dominante λ dans l’enregistrement. Théoriquement la profondeur d’investigation est de l’ordre de λ, en pratique les résultats au-delà de λ /3 à λ/2 voient leur précision diminuer avec la profondeur. De même, la résolution étant aussi fonction de la longueur d’onde, elle diminue avec la profondeur.

I.2. Sismique en ondes de surface (Multichannel Analysis of Surface Waves ou MASW)

I.2.1 Principe de la MASW La sismique en ondes de surface est l’étude de la propagation des ondes de surfaces (ondes de Rayleigh) générées par une source sismique artificielle et de leurs interactions avec les terrains et les anomalies rencontrés en profondeur. Le domaine fréquentiel concerné est de l’ordre du Hertz à quelques dizaines de Hertz. Les ondes de Rayleigh sont générées par l’interaction des ondes de volumes (ondes P et S). Dans un milieu élastique, homogène et isotrope, elles représentent environ 70 % de l’énergie propagée. La caractéristique principale des ondes de surface est qu’elles sont dispersives en milieu tabulaire (la vitesse de propagation dépend de la fréquence). L’analyse de cette dispersion par l’inversion d’un modèle permet de caractériser les propriétés du sous-sol influant sur la propagation de l’onde et notamment la vitesse des ondes S ainsi que l’épaisseur des couches.

I.2.2. Objectif de la sismique en ondes de surface L’objectif de la technique MASW est de fournir une section 2D des vitesses d’ondes S en fonction de la profondeur. La profondeur de pénétration des ondes de surface n’est que de 10 à 12 m. En effet, elles s’atténuent de façon exponentielle avec la profondeur.

Sens de propagation et de déformation des ondes de Raleigh (http://www-ig.unil.ch/cours/geophysic/ )


C

I.3. Sismique diffraction

I.3.1 Principe de la sismique diffraction La sismique réflexion utilise les ondes réfléchies primaires ayant effectuées un trajet source réflecteur – géophone, pour déterminer la géométrie des interfaces géologiques. L’ensemble des autres ondes est éliminé par les différentes étapes du traitement des données. Or, une hétérogénéité dans le sol, telle une cavité, agit, lorsqu’elle est atteinte par une onde sismique, comme une source ponctuelle secondaire qui émet une onde sphérique en renvoyant l’onde incidente dans toutes les directions. Cette onde apparaît sur les enregistrements sous la forme d’une hyperbole de diffraction. On voit sur la figure ci-dessous les rais diffractés et chaque front d’onde associé.

I.3.2 Objectif de la sismique diffraction L’objectif du traitement des enregistrements sismiques en diffraction est de mettre en valeur ces hyperboles de diffraction et ensuite de les focaliser par migration pour en déterminer l’origine.

Diffraction du rai incident lorsqu'il rencontre une hétérogénéité.


D

I.4. Radar géologique

I.4.1. Principe du radar géologique Ce procédé d’auscultation non destructif est une méthode électromagnétique haute fréquence. Le radar géologique utilise la propagation et la réflexion des ondes électromagnétiques dans et sur les interfaces des couches ou les hétérogénéités du sous-sol. Le domaine de fréquence concerné varie d’environ 20 MHz à 3 GHz. Une antenne émettrice envoie des impulsions électromagnétiques brèves (quelques nanosecondes) dans le sol. Lorsque les ondes rencontrent un contraste diélectrique, elles se réfléchissent partiellement vers la surface (loi de Snell-Descartes) où leurs caractéristiques sont mesurées par une antenne réceptrice et sont analysées. La grandeur mesurée est la variation d’amplitude du champ électrique (issue des réflexions et des diffractions sur les contrastes diélectriques du milieu) en fonction du temps de propagation des ondes. Dans un milieu isotrope et homogène, le champ électrique E associé à la propagation d’une onde plane vérifie l’équation de Maxwell :

∂∂+

∂∂=∆

2

2

t

E

t

EE µεµσ

avec : µ : permittivité magnétique du milieu* σ : conductivité électrique* ε : permittivité diélectrique* Dans l’équation précédente, le premier membre du terme de droite, contrôlé par σ, est un terme de diffusion, le second (contrôlé par ε) un terme de propagation. Or, aux hautes fréquences utilisées dans la prospection radar, le phénomène de propagation des ondes est privilégié dans les milieux résistants (se comportant comme un diélectrique). A l’inverse, dans les milieux conducteurs, la diffusion domine, les ondes ne pénètrent donc plus dans le milieu. Le radar n’est donc utilisé qu’en milieu résistant (calcaire, granite…). Pour une propagation suivant la verticale, une solution de l’équation d’onde s’écrit :

( ) ( )ztizeeEtzE βωα −−= 0, Où ω, α et β sont respectivement la pulsation (s-1), le paramètre d’atténuation (m-1) et le paramètre de phase (m-1) qui vérifient l’équation suivante :

µωσαβ =2 La vitesse de phase est définie à partir du paramètre de phase :

βω=v Or, en considérant le milieu comme un diélectrique parfait (où σ = 0), la vitesse des ondes électromagnétiques dans ce milieu est approchée sous la forme :

rcv ε≈ où εr = ε / ε0 est la permittivité diélectrique relative du milieu.


E

Certains facteurs comme le degré d’hétérogénéité du milieu, la divergence géométrique, ou encore la présence d’argile en surface entraînent une atténuation, plus ou moins forte, des ondes électromagnétiques au fur et à mesure de leur propagation dans le sous-sol.

I.4.2. Objectif du radar géologique La méthode radar permet d’obtenir des images des structures et de l’état des ouvrages d’art sous la forme d’une « échographie » du sous-sol. Exceptionnellement, pour des contextes géologiques favorables, la profondeur d’investigation peut atteindre jusqu’à 15 m. Cependant, en règle générale, la profondeur atteinte est de l’ordre de 5 m. L’interprétation des profils radar exige de connaître l’ordre de grandeur des résolutions verticale et horizontale. On considère généralement que la résolution verticale δz (épaisseur minimale d’une couche distinguable de ses voisines) est de l’ordre de λ/4. La résolution latérale δx est la distance qui sépare deux points distinguables par deux échos réfléchis distincts et est donnée par :

21

22

2 rrx −=δ

( )( )22zzzx −+= δδ

( )zzzx δδδ 22 +=

Résolution verticale et horizontale du géoradar (IPGP)


F

I.5. Microgravimétrie

I.5.1. Principe de la microgravimétrie La microgravimétrie est l’étude de la variation du champ de pesanteur ∆gm à la surface de la Terre, provoquée par les variations de masse du sous-sol ausculté. Le résultat attendu d’une telle campagne est la représentation de l’anomalie résiduelle, qui est la différence entre l’anomalie de Bouguer et l’anomalie régionale*. L’anomalie de Bouguer est la différence entre la valeur de la pesanteur mesurée en un point donné et la valeur théorique modifiée pour tenir compte de la correction à l’air libre, la correction de plateau et l’effet de terrain :

• La correction à l’air libre ramène la valeur théorique de g en un point donné à l’altitude h du point de mesure. Cette correction rend donc compte de l’effet sur la pesanteur de l’éloignement entre le géoïde et la surface de mesure, indépendamment du matériau entre ces deux surfaces :

hdz

dggal

−=∆

Soit en mgal.m-1 : hgal 3086.0−=∆

• Afin de prendre en compte l’effet de ce matériau, on effectue la correction de plateau. Pour cela, la

forme de cette masse est approximée comme un plateau infini d’épaisseur h et de masse volumique ρ:

Ghg p ρΠ=∆ 2

Soit avec h en mètres et ρ en g.cm-3 : hg p ρ0419.0=∆

• Enfin, il faut aussi tenir compte des variations de la topographie autour du point de mesure. Cette

correction de terrain, toujours positive (un « creux » ou une « bosse » aura le même effet) s’écrit :

TgT ρ=∆ Où T est un terme qui rend compte de l’écart entre la topographie et le plateau semi-infini idéal introduit dans la correction de plateau.

Au final, l’anomalie de Bouguer complète s’écrit :

)0419.03086.0( ThhggA théoriquemesuréBC ρρ ++−−=

On voit qu’une anomalie négative correspond à un défaut de masse par rapport au modèle, une anomalie positive à un excès de masse. C’est cette anomalie, corrigée de l’anomalie régionale, qui donne l’anomalie résiduelle étudiée lors des campagnes microgravimétriques. Des corrections des effets de dérive instrumentale, des marées luni-solaires et de la variation de latitude sur la zone étudiée sont également entreprises. Les résultats sont présentés sous forme d’une carte d’isovaleurs représentant l’anomalie résiduelle.


G

I.5.2. Objectif de la microgravimétrie

Une étude microgravimétrique donne une carte des variations de la pesanteur dans le sous-sol. La connaissance du champ de pesanteur est particulièrement bien indiquée en géophysique de surface pour la recherche de cavités, mais elle est aussi indispensable à d’autres applications, comme notamment la géodésie, l’étude de l’isostasie, les études vulcanologiques… La plupart des gravimètres ont une précision de 5 µgal. Pour la recherche de cavités, l’interprétation des mesures est possible jusqu’à environ 20 m. La topographie doit être connue avec une très grande précision (centimétrique) et la mise en œuvre est délicate. Le but de l’interprétation est de connaître la distribution des sources. Or, les mesures ne permettent pas de déduire de manière univoque la distribution de masse responsable des anomalies observées (non-unicité des solutions). En effet, un même effet observé en surface peut avoir plusieurs sources possibles :

Illustration de la non-unicité des sources en gravimétrie.


H

I.6. EM 34

I.6.1. Principe de l’EM 34 L’EM 34 est une méthode électromagnétique basse fréquence en champ proche*. Des boucles de courant verticales ou horizontales par rapport au sol fonctionnent comme émetteurs et récepteurs. L’émetteur génère un champ magnétique primaire en faisant passer un courant alternatif dans une bobine. Le champ primaire est modifié par son passage dans le sol, et s’il rencontre une anomalie conductrice, des courants alternatifs (eddy currents) sont induits dans celle-ci. Ces courants d’induction génèrent un champ secondaire qui est recueilli par le récepteur. La grandeur mesurée est la résistivité apparente* ρa, en Ω.m.

I.6.2. Objectif de l’EM 34 Une campagne d’EM 34 permet d’obtenir une carte de la résistivité apparente des sols en fonction de la profondeur le long de chaque profil. Comme en gravimétrie, l’inversion des données doit permettre de déduire la répartition des sources des anomalies conductrices ou résistantes observées en surface. La profondeur d’investigation dépend de la distance entre les boucles et de l’orientation des dipôles, mais elle varie généralement de 10 m à environ 50 m.


I

II. Glossaire Anomalie régionale : En microgravimétrie, anomalie du champ de pesanteur terrestre à grande longueur d’onde due à la géologie profonde. Aqueduc : Canal souterrain ou non de pente constante destiné à conduire l’eau d’un endroit à un autre. Ballast : Roches très dures concassées aux caractéristiques particulières tassées entre les rails, qui permettent entre autres de « tenir » la voie ferrée et contribuent à l’absorption de l’énergie générée par le passage des trains. Bande passante : Lors de l’acquisition en radar, plage de fréquence émise par les antennes. Calage au vide : Mesure de la vitesse de l’outil de forage dans le vide. Les valeurs de VIA* lors des forages* sont ensuite comparées à cette valeur afin de déterminer si le terrain est normal, décomprimé ou très décomprimé. Caténaire : Système de suspension qui maintient les câbles porteurs et les fils conducteurs d’électricité au-dessus des voies ferrées pour alimenter les trains en énergie. Champ lointain/proche : Les méthodes en champ proche travaillent à moins d’une longueur d’onde de la source, où le champ primaire varie très rapidement. Les méthodes en champ lointain sont celles pour lesquelles la distance émetteur-récepteur est supérieure à la longueur d’onde dans le sol, où le champ primaire est localement uniforme et les réponses sont indépendantes de la géométrie de la source et de sa distance. Conductivité électrique: σ (en S.m-1), caractérise le déplacement de charges libres du milieu sous l’influence du champ électrique. Inverse de la résistivité*. Correction dynamique (NMO) : Dans un dispositif de couverture multiple*, la correction dynamique ou NMO (Normal Move Out) est définie comme la différence entre les temps de propagation t1 et t2 des arrivées des rais réfléchis à deux offsets* x1 et x2. Avant de sommer les traces, il convient de corriger les temps de parcours de ces écarts de temps. Correction statique : Lors du traitement en sismique, cette correction corrige les anomalies de temps de parcours dues aux différences d’altitude des géophones. On ramène donc les temps à ce qu’ils seraient si les sources et les géophones étaient situés dans un même plan de référence. Couverture multiple : En sismique réflexion ou en radar, dispositif dans lequel il y a sommation des traces ayant enregistré plusieurs signaux réfléchis sur un même point P appelé CDP (Common Depth Point), ou PCR (Point Commun de Réflexion) en français. Avant de sommer les traces, il faut cependant appliquer la correction NMO* afin de tenir compte des différents trajets effectués par chaque rai sismique. Cette technique permet de renforcer les signaux réfléchis sur chaque CDP et d’atténuer le bruit. La figure sur la page suivante illustre ce dispositif. Pour les trois tirs successifs I, II et III, les traces 1, 3 et 5 enregistrent chacune une réflexion sur le point P. Il s’agit du CDP. De même, P’ est le CDP des réflexions enregistrées par les traces 2, 4 et 6.

Couple de rotation : Lors d’un forage, pression hydraulique qui entraîne le train de tige (en bar).


J

Dispositif de couverture multiple (in Géophysique, Diament et Dubois, Dunod 2005).

Cryptocristallin : s’applique aux roches formées de cristaux de taille micrométrique Débit d’injection : Lors d’un forage, quantité de fluide injecté en fonction du temps. Déblai : cf. remblai*: Déconvolution: Lors du traitement en sismique, contracte l’impulsion émise par la source pour la ramener à une impulsion brève (Déconvolution avant sommation) et éliminer les réflexions multiples (Déconvolution après sommation). Désordre : Anomalie d’aspect ou de comportement d’un ouvrage*, souvent accompagné de phénomènes visibles qui peut être due à des sollicitations imprévues ou excessives, à l’environnement… Edition des traces : Lors du traitement en sismique, analyse de chaque tir sismique qui en estime le rapport signal sur bruit, et donc la qualité. Cette étape du traitement des données permet de savoir si l’opération d’acquisition fonctionne. Ellipsoïde de référence : La surface équipotentielle du champ de pesanteur terrestre théorique qui se rapproche le plus du géoïde. Géoïde : La surface équipotentielle du champ de pesanteur terrestre qui se confond avec la surface moyenne des océans. Grave : Mélange naturel ou non de cailloux, graviers et sable utilisé pour la réalisation de couches de chaussée devant supporter des trafics moyens ou lourds. Filtres : En sismique, il existe trois types principaux de filtrage :

• Dans le domaine spectral : le contenu spectral du signal est amplifié différemment suivant les fréquences pour être ensuite sommé dans le signal filtré.

• Dans le domaine temporel : le signal est décomposé en impulsions élémentaires dont la réponse impulsionnelle se recompose dans le signal filtré.

• Dans le domaine spatial : en sismique marine, position de la flûte telle que les rais « directs » et réfléchis arrivent en opposition de phase pour les fréquences correspondant au bruit à éliminer.

Cependant, des filtres sont appliqués lors des traitements pour toutes les méthodes.


K

Flache : Dépression localisée de forme arrondie ou elliptique, située à la surface d’une chaussée. Forage : Creusement d’un trou dans le sol dans le but de procéder à des injections, de rechercher une nappe d’eau…, sans essayer de reconnaître les strates traversées. Fréquence centrale : En radar, fréquence de la bande passante* pour laquelle l’énergie émise est maximale. Gain : Lors du traitement en radar, permet d’amplifier le signal en fonction du temps d’écoute de manière à optimiser la conversion analogique – numérique. Km : le repérage sur une ligne se fait grâce à des points kilométriques (km) croissants depuis la ville d’origine de la ligne. Les trains circulent (sauf exception) à gauche. Par convention, la voie sur laquelle le train circule en allant de la gare d’origine de la ligne à celle d’arrivée est nommée voie 1 (V1), tandis que l’autre est notée V2. Migration : Lors du traitement en sismique, permet de restituer la vraie position des réflecteurs à partir de la coupe enregistrée (cas où les réflecteurs sont inclinés). Mode bistatique : En radar, mode dans lequel il y a une antenne émettrice et une antenne réceptrice. Mode monostatique : En radar, se dit d’une antenne qui fait office à la fois de récepteur et d’émetteur. Offset : En sismique, distance entre la source et le capteur. Ouvrages d’art : Grandes réalisations du type ponts, viaducs, tunnels… Percussion réfléchie : Lors d’un forage, énergie dégagée par la percussion du marteau (sans unité). Permittivité diélectrique : ε (en F.m-1), représente la capacité d’une distribution de charges électriques à se polariser sous l’effet d’un champ électromagnétique externe. La permittivité diélectrique d’une roche relative à celle du vide est généralement comprise entre 3 et 30. Pierre châline : Calcaire propre à fournir, par calcination, de la chaux. Pression de retenue : Lors d’un forage, Pression qu’exerce l’outil sur les trains de tige afin de lutter contre la gravité. Elle est donc inversement proportionnelle à la dureté du matériau traversé. Pression d’injection (PI): Lors d’un forage, représente la pression du fluide dans le conduit de foration (en bar). Elle est donc proportionnelle à la capacité du terrain à boucher l’outil de forage. Pression sur l’outil (PO) : Lors d’un forage, représente l’appui appliqué sur le train de tige pour faire avancer l’outil de forage dans le matériau (en bar). Remblai et déblai : Les remblais sont des ouvrages* réalisés par apport de matériaux, alors que les déblais sont réalisés par extraction de matériaux. Les deux figures suivantes montrent également les positions des profils PV1, V1, EV, V2 et PV2 tels que définis dans la plupart des reconnaissances. Résistivité (apparente) : Résistance qu’oppose un milieu au passage d’un courant électrique (ρ, en Ω.m). Inverse de la conductivité. La résistivité apparente est celle d’un milieu homogène et isotrope. Sondage : Investigation du sol réalisée par forage afin d’étudier les couches traversées.


L

Stack : Lors des traitements en sismique et en radar, sommation de plusieurs signaux pour un même point du profil, afin d’améliorer le rapport signal sur bruit. Tranchée couverte : Ouvrage* en forme de pont servant à asseoir des fondations. Vitesse d’avancement (VIA) : Lors d’un forage*, rapidité avec laquelle l’outil traverse le matériau. Elle est donc représentative de la résistance globale de ce matériau. Si la VIA vaut entre 60 et 80% de la vitesse du calage au vide*, le terrain est dit « décomprimé ». Si elle vaut plus de 80%, le terrain est dit « très décomprimé ».

Schéma d'un déblai.

Schéma d'un remblai.

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