Utilisation des ondes de surface pour l'inspection des parois de galeries, Use of surface wave for gallery inspection

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Sous la direction de Jack-Pierre Piguet, Odile Abraham
Thèse soutenue le 19 octobre 2007: INPL
La Multi-Channel Acquisition of Surface Waves (MASW) est devenu populaire depuis quelques années pour l'auscultation non destructive de milieux tabulaires naturels ou artificiels (Béton). Cette méthode, basée sur le comportement dispersif des ondes de surface, comporte deux étapes principales. Une courbe de dispersion des vitesses de phase des ondes de surface est, dans un premier temps, extraite d'un sismogramme par une transformée du champ d'onde (transformée p-?). L'inversion de cette dernière conduit enfin à une interprétation du milieu ausculté sous la forme d'un profil 1D des vitesses de propagation des ondes transverses en fonction de la profondeur. Cette dissertation propose une évaluation de la faisabilité de l’utilisation de la MASW pour le contrôle non destructif de structures souterraines. Cette étude s’est focalisée à évaluer puis à procéder aux différentes modifications nécessaires pour son utilisation en milieu présentant une surface concave (surface très répandue dans les structures de type galeries, tunnel ou puits)
-Dispersion
-Puits
-Rayleigh
-Masw
-Ndt
-Sismique
Multi-Channel Acquisition of Surface Waves (MASW) has become very popular in recent years for non destructive testing of both layered natural and artificial (concrete) media. This method, based on the dispersive behaviour of surface waves, consists of two major steps. A phase velocity dispersion curve is first extract from the seismogram using a wave field transform (p-? transform). Then the inversion of this latter produces a 1D interpretation of the medium in terms of transverse wave velocities versus depth. While these two major steps of the method are well-documented for plane stratified media, it’s not the case when the investigated structure has a complex geometry. This dissertation deals with the evaluation of the feasibility to use MASW for non destructive evaluation of underground structures. After a brief survey of the problems that could be encountered with tunnel non destructive evaluation, this study focuses to determine and then proceed to the modifications needed to adapt the method for a concave geometry structure use
Source: http://www.theses.fr/2007INPL067N/document
Publié le : mardi 25 octobre 2011
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Institut National Polytechnique de Lorraine
THESE
pour l’obtention du grade de
DOCTEUR
Spécialité: Géophysique
Ecole doctorale RP2E
Hydrosystèmes et génie civil
présentée par
Julien LAGARDE
Sujet:
Utilisation des ondes de surface pour
l’inspection des parois de galeries
Soutenue le 19 octobre 2007 devant la commission d’examen composée de:
Rapporteurs:
– M. R. CHARLIER, Professeur, Université de Liège, BELGIQUE
– M. D. JONGMANS, Professeur, LGIT, GRENOBLE
Examinateurs:
– M. J.P. PIGUET, Professeur, INPL, NANCY
– M. P. COTE, Directeur de recherche, LCPC, NANTES
– Mme O. ABRAHAM, HDR , LCPC, NANTES
– M. C. BALLAND, Chargé de recherche, INERIS, NANCYiiiii
Résumé
LaMulti-ChannelAcquisitionofSurfaceWaves(MASW)estdevenupopulairedepuis
quelques années pour l’auscultation non destructive de milieux tabulaires naturels ou
artificiels (Béton). Cette méthode, basée sur le comportement dispersif des ondes de
surface,comportedeuxétapesprincipales.Unecourbededispersiondesvitessesdephase
des ondes de surface est, dans un premier temps, extraite d’un sismogramme par une
transformée du champ d’onde (transforméep−ω). L’inversion de cette dernière conduit
enfin à une interprétation du milieu ausculté sous la forme d’un profil 1D des vitesses de
propagation des ondes transverses en fonction de la profondeur.
Les deuxétapesprincipales decetteméthode sontbien documentéeslorsquelemilieu
est plan par contre ce n’est pas le cas lorsque la structure de la zone auscultée présente
une géométrie complexe (principalement surfaces non planes, angles,...).
Cettedissertationproposeuneévaluationdelafaisabilitédel’utilisationdelaMASW
pour le contrôle non destructif de structures souterraines. Après un aperçu des différents
problèmesinhérentsàl’auscultationdegaleries,puitsoutunnel,cetteétudes’estfocalisée
à évaluer puis à procéder aux différentes modifications nécessaires pour son utilisation
en milieu présentant une surface concave (surface très répandue dans les structures de
type galeries, tunnel ou puits). Cette modification est nécessaire car de fortes disparités
existent entre les courbes de dispersion expérimentales obtenues pour un milieu concave
etpourunmilieuplanprésentanttoutdeuxlesmêmescaractéristiquesmécaniques.Cette
disparitésecaractériseparuneimportanteetnonnégligeablesousévaluationdesvitesses
à basse fréquence (grandes longueurs d’ondes).
Cette adaptation s’est effectuée en reprenant l’équation de dispersion employée par
l’algorithme initial. Des développements mathématiques ont été effectués afin de refor-
muler l’équation de dispersion en coordonnées cylindriques et en incluant un nouveau
paramètre reflétant le rayonnement radial de l’énergie dans le milieu concave: l’atténua-
tion géométrique
A partir de cette équation de dispersion, un code de calcul a été réalisé pour pouvoir
obtenir les courbes de dispersion théoriques nécessaires à l’interprétation des données
acquises en géométrie concave.
Une phase de test a ensuite effectuée pour valider le code de calcul. Des vérifications
de ce dernier, numériques, par les éléments finis, puis expérimentales, par le biais d’expé-
rimentation sur un modèle physique contrôlé, ont permis de certifier les résultats obtenus
par le programme.iv Résumé
Une fois le programme validé, une étude paramétrique a été menée afin de mieux
identifier l’impact de la courbure sur la dispersion et d’évaluer l’influence des différents
paramètres de l’équation de dispersion sur la courbe de dispersion dans ce type de géo-
métrie.
Plusieurs phases de mesures in situ, effectuées dans différentes configurations en tun-
nel ou puits, ont enfin souligné la faisabilité et l’intérêt de la méthode pour l’auscultation
non destructive de structures souterraines.v
Abstract
Multi-Channel Acquisition of Surface Waves (MASW) has become very popular in
recent years for non destructive testing of both layered natural and artificial (concrete)
media. This method, based on the dispersive behaviour of surface waves, consists of two
major steps. A phase velocity dispersion curve is first extract from the seismogram using
a wave field transform (p−ω transform). Then the inversion of this latter produces a 1D
interpretation of the medium in terms of transverse wave velocities versus depth.
While these two major steps of the method are well-documented for plane stratified
media, it’s not the case when the investigated structure has a complex geometry (mainly
non plane surfaces, angles...).
This dissertation deals with the evaluation of the feasibility to use MASW for non
destructive evaluation of underground structures. After a brief survey of the problems
that could be encountered with tunnel non destructive evaluation, this study focuses
to determine and then proceed to the modifications needed to adapt the method for
a concave geometry structure use. These modifications are needed because there are
important variations between a plane medium phase velocity dispersion curve and a
concave medium one. These variations are principally a misevaluation of phase velocities
at lower frequencies (great wavelength).
The adaptation was made departing from the dispersion relation employed by the
initial algorithm. Mathematical developments were done to reformulate the dispersion
relation in cylindrical coordinates including a new parameter which reflects the radial ra-
diationoftheenergyofthesurfacewaveinthesurroundingconcavemedium:geometrical
attenuation.
Departingfromthisdispersionrelation,aprogramwasmadetoobtainthetheoretical
dispersion curves needed t interpret data acquired in a concave geometry.
Then testing was made to authenticate the program. Verifications were realized using
finite elements modelling and experimentations made on a reduce scale physical model.
After having certified the program, a parametric study was conduced to identify
precisely curvature impact on dispersion and to evaluate the influence of the various
parameters present in the dispersion relation.
Finally in situ experimentations, done in various configurations in tunnel or galle-
ries, had emphasized the feasibility and the relevance of the MASW for non destructive
evaluation of underground structures.vi Abstractvii
Remerciements
Je souhaite avant tout remercier Jack Pierre Piguet d’avoir accepter de diriger ma
thèse malgré ses importantes responsabilités.
Je remercie ensuite toute la section reconnaissance et géophysique du LCPC pour
leur accueil chaleureux ainsi que mes camarades doctorants que j’ai côtoyé et qui m’ont
supporté pendant toute la durée de ma thèse, je pense en particulier à Ludovic Bodet
mon colocataire de bureau à ses goûts musicaux aussi divers que surprenant et à son
esprit potache (Valery ne me démentira pas). Un grand merci aux équipes techniques
du LCPC pour leur aide lors de la réalisation du modèle physique contrôlé, à Jacques
Alexandre qui m’a enseigné et fait découvrir les voies impénétrables du LORIN et sans
qui je n’aurais pu faire aucune mesure et à Olivier Magnin qui m’a fait découvrir avec
son éternelle bonne humeur les joies du terrain.
Merci également à Cyrille Balland et au personnel de l’INERIS, du LAEGO à Nancy
qui m’ont toujours bien accueilli les rares fois où je suis venu. En particulier Brigitte
Siatka mon relais toujours sympathique et efficace avec l’administration de l’INPL.
Je remercie l’ANDRA, en particulier Gilles Armand de m’avoir proposer des expéri-
mentations dans différents sites qui ont considérablement enrichi mon étude.
Je tiens à remercier tout particulièrement, Laurent Laguerre pour m’avoir orienté à
un moment où je me croyais perdu et dans une impasse et Odile Abraham pour m’avoir
toujours encouragé et poussé à finir cette thèse.
un grand merci à ma maman et à ma soeur qui ont toujours cru en moi.
Elisa, je te dédie cette thèse pour ta patience, ton amour et pour être simplement toi.
Sans toi je ne serais pas grand chose ...viii RemerciementsTABLE DES MATIÈRES ix
Table des matières
Résumé iii
Abstract v
Remerciements vii
Introduction xxv
1 Généralitéssurlesondesdesurfaceenmilieuplanetleurs applications 1
1.1 Historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Propagation des ondes de Rayleigh dans un espace semi-infini élastique
homogène et isotrope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1 Solution analytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.2 Atténuation géométrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.3 Atténuation intrinsèque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Propagation des ondes de surface en milieu tabulaire . . . . . . . . . . . . 8
1.3.1 Notion de dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.2 Vitesses de phase et vitesses de groupe . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3.3 Détermination semi-analytique de la vitesse de phase des ondes de
surface en milieu tabulaire: Vitesses de phase modales . . . . . . . 10
1.4 Mesure de la dispersion des ondes de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.1 Domaines d’applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.2 Méthodes de mesure de la dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.4.3 Procédures générales d’utilisation de la méthode MASW . . . . . . 15
1.4.4 Vitesse de phase des ondes de surface générées par une force ap-
pliquée à la surface d’un milieu tabulaire: Vitesses de phase expé-
rimentales ou effectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.5 Passage des courbes de dispersion à un profil des caractéristiques du milieu 18
1.5.1 Modélisation numérique de la dispersion . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.2 Inversion des courbes de dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.6 Application de la méthode MASW à l’auscultation de tunnel ou de puits . 20
1.6.1 Caractéristique de la zone auscultée: l’EDZ (Excavation Damaged
Zone) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

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