ESSAI SISMIQUE CROSS-HOLE : NOUVEAUX DÉVELOPPEMENTS POUR LA RÉALISATION ET L'INTERPRÉTATION

Les retours d’expérience récents ont conduit Innogeo® à de nouveaux développements pour l’acquisition et l’interprétation de l’essai cross-hole. Une nouvelle procédure a été élaborée, utilisant
différentes sources sismiques et combinant l’essai cross-hole aux essais down-hole, up-hole, tomographie, MASW.
L’essai cross-hole consiste à mesurer les temps de propagation des ondes sismiques de compression
(P) et de cisaillement (S) entre plusieurs forages, afin de déterminer, en fonction de la profondeur, les
vitesses sismiques et les paramètres dynamiques : module de Young E, module de cisaillement G, coefficient de Poisson n et vitesse harmonique Vs30 (Eurocode 8).
L’essai est réalisé avec un pas de profondeur le plus souvent égal d’un mètre, mais qui peut varier selon le projet. La mesure est réalisée entre une sonde émettrice placée dans un forage émetteur et des sondes réceptrices placées à la même profondeur dans les forages récepteurs.

L’essai se fait idéalement dans trois forages alignés. En cas d’anisotropie, deux forages disposés à
90° complètent le dispositif. La distance entre forages adjacents ne doit pas excéder 4 mètres.

Deux types de source sismique sont utilisés :
Source mécanique Ballard plaquée au forage, dans laquelle une masse sismique mobile génère une
onde S très énergétique, polarisée, et une onde P peu énergétique, non polarisée.
Source piézo-électrique Sparker, comportant un générateur produisant une onde P ou une onde S selon la tête de sonde utilisée. La sonde S comporte un dispositif de plaquage au forage.
Un capteur, fixé sur la source et relié à l’enregistreur, déclenche l’acquisition à l’émission.
Les temps d’arrivée d’ondes sont mesurés dans les forages récepteurs à l’aide de sondes réceptrices
plaquées à la paroi du forage. Les sondes comportent trois capteurs disposés à 90° (un vertical et deux horizontaux).
Les mesures sont effectuées à différentes profondeurs afin d’obtenir une coupe verticale des vitesses P et S (exemple d’enregistrement S ci-dessous).

Développement et amélioration
Dans la pratique, l’essai cross-hole peut être limité par la géologie (qualité, réfraction des ondes, pendage des couches, masquage des couches de faible épaisseur) et par les forages (couplage mécanique tubage / terrain).
La méthodologie a évolué ces dernières années en s’appuyant sur l’évolution des sources sismiques
et en couplant différents essais (down-hole, up-hole, tomographie, MASW).
On notera la possibilité de contrôler les scellements par diagraphie afin de vérifier le couplage mécanique tubage-terrain.

Sources sismiques
Il est difficile dans certains terrains d’obtenir des signaux P et S de qualité avec la source type Ballard,
classiquement mise en oeuvre. Cette source génère, de par sa conception, des ondes S relativement
énergétiques si les terrains sont favorables, mais peu d’ondes P.

De ce fait, la source Sparker est systématiquement mise en oeuvre en plus de la source Ballard.

La source Sparker S peut également être mise en oeuvre. Notre expérience montre que cette source est surtout adaptée aux terrains rocheux à fortes vitesses sismiques, ce qu’illustrent les figures ci-dessous qui montrent des signaux acquis avec les deux sources dans le même terrain rocheux calcaire. La source Ballard donne de piètres signaux alors que la source Sparker produit des signaux de qualité (voir figures 01 et 02).

Essais complémentaires
Les essais complémentaires sont mis en oeuvre afin d’apporter des informations pour améliorer le traitement de l’essai cross-hole :

• essai down-hole, pratiqué dans un ou plusieurs des forages crosshole, pour caractériser l’hétérogénéité des terrains ;
• essai up-hole, pratiqué au cours de l’essai cross-hole, pour identifier des hétérogénéités liées aux terrains de surface (présence de réseaux, par exemple, ou terrains remblayés) ;
• tomographie, pour identifier les réfractions ;
• essai MASW, pour contraindre le modèle.

Traitement de l’essai cross-hole
Le traitement consiste à calculer la vitesse de l’onde directe P ou S entre forages.
Cependant, il est impératif de traiter les éventuels phénomènes de réfraction qui se produisent aux interfaces en cas de forts contrastes de vitesse et/ou de distances importantes entre forages. Pour cela, une inversion sismique est réalisée pour calculer les vitesses vraies en cas de réfraction.

Les essais complémentaires apportent les données supplémentaires d’ajustement du modèle de vitesse pour définir au final un modèle sismique synthétique du sous-sol.

En conclusion, Innogeo® a fait évoluer la réalisation de l’essai cross-hole ces dernières années par l’intégration de nouveaux matériels, et grâce à une nouvelle méthodologie d’acquisition et d’interprétation.
Ces avancées ont permis d’améliorer l’essai afin d’apporter des résultats fiables et conformes à
l’exigence d’un modèle sismique de terrain synthétique utilisable directement dans les calculs d’interaction sol-structure et de liquéfaction des sols sous sollicitation sismique.

Christophe Bodard
Jean-Luc Mattiuzzo
Innogeo S.A.S., Chambéry, France