Collecte des signaux sur le terrain

Lors de l’acquisition des signaux sur le terrain, il est important de considérer certains paramètres spécifiques reliés au type d’équipement utilisé ainsi qu’à la configuration du site où les essais sont réalisés. Le type d’équipements utilisés pour les essais ainsi que leurs caractéristiques sont présentés dans Tremblay et Karray (2014) et Tremblay et coll. (2017). Comparativement au nombre d’études numériques, relativement peu d’études portant sur l’impact de la présence d’une structure souterraine sur la propagation des ondes sismiques élastiques ont été réalisées sur des sites réels. Il n’existe également aucune étude portant sur la possibilité d’utiliser les ondes de surface afin d’inspecter une structure souterraine recouverte d’une couche de sol et d’un revêtement (Tremblay et coll. 2017). Les études réalisées sur le terrain portent majoritairement sur la possibilité d’utiliser les ondes sismiques élastiques afin d’identifier la

(a)

(b)

présence de vides (Grandjean et Leparoux, 2004; Nasseri-Moghaddam et coll., 2005a,b; Nasseri-Moghaddam et coll., 2007; Karray et Lefebvre, 2009) ainsi que sur la possibilité de localiser des objets ayant une rigidité différente de celle du sol (Grandjean et Leparoux, 2004; Strobbia and Foti, 2006; Tallavò et al. 2009; Boiero and Socco, 2010; Orfanos and Apostolopoulos 2012; Sloan et coll., 2015).

2.3.1 Caractéristiques des équipements requis pour l’acquisition des ondes élastiques

L’efficacité de l’équipement ainsi que la procédure de collecte des signaux utilisés au cours de cette étude a déjà été testée durant plus de 14 ans sur des centaines de sites au Canada et à travers le monde. Les sections suivantes présenteront donc un résumé du type de capteur ainsi que du système d’acquisition utilisé.

Capteurs

Un capteur idéal doit être capable de donner une réponse électrique qui correspond aux caractéristiques de l'onde sismique sans distorsions importantes. Pour les méthodes sismiques, les ondes sont caractérisées par la vitesse ou l'accélération et les types de capteurs utilisés sont donc des transducteurs de vitesse (géophone) ou d'accélération (accéléromètre). Le choix des instruments dépend du type d'application, du degré de précision et de la bande de fréquence recherchée. Dans les applications qui concernent les dépôts de sol naturel et les ouvrages en terre, la fréquence varie généralement de 0 à 300 Hz. Dans le cas des chaussées ou des structures en béton, celle-ci peut dépasser les 5 kHz. La taille du capteur et la facilité de son installation sont aussi des facteurs importants dans le choix du capteur. Les géophones sont généralement utilisés pour les applications sur des terrains naturels ou des ouvrages en terre. Leur poids élevé permet d'avoir un bon contact avec le milieu, en les posant simplement sur la surface du sol. Les géophones commerciaux ont des masses variant entre 0.1 kg et 2 kg et un degré de sensibilité variant entre 0.01 et 10 volts/po/sec. Leur fréquence de résonance se situe entre 1 et 100 Hz et leur bande utile de fréquence varie de 1 à 500 Hz. Dans le cas où les capteurs sont placés directement en contact avec la chaussée (revêtement en asphalte) il est généralement préférable d’utiliser des accéléromètres puisque ces derniers permettent l’enregistrement d’une plus large gamme de fréquences que les géophones. La masse des accéléromètres varie généralement entre 1 à 500 g et leur degré de sensibilité se situe entre 9.4 et 10 mV/g. Leurs fréquences de résonance sont parfois supérieures à 10 kHz et leurs bandes de fréquence varient de 0 à 5000 Hz. Lors des

essais réalisés sur le site de l’IREQ, des accéléromètres de marque PCB (modèle 393C) dont les spécifications sont disponibles à l’annexe A furent utilisés. Les caractéristiques de ces accéléromètres font en sorte qu’il est possible d’enregistrer sans distorsions importantes des signaux contenant des fréquences entre 2 et 300 Hz. La réponse en fréquence des accéléromètres dépend de la façon dont ils sont installés sur la surface vibrante. Généralement, un accéléromètre fixé fermement sur la surface permettra de lire des fréquences plus élevées qu’un capteur n’étant pas fixé. La figure 2.12 présente la variation de la plage d’enregistrement des accéléromètres utilisés lors des essais réalisés à l’IREQ selon divers types de montages.

Figure 2.12 Variation de la sensibilité des capteurs en fonction de la méthode de montage.

40 30 20 10 0 -10 -20 Sonde tenue à

la main magnétiquesMontages Montages à l’aided’adhésif boulonnéMontage

D év ia tio n de se ns itiv ité (d B) – Réf ér en ce 100 H z 1.0 10 100 1000 10 000 100 000 Log Fréquence (Hz)

Comme l’illustre la figure 2.12, dans le ‘pire scénario’ la fréquence de résonnance de l’accéléromètre peut atteindre 1 kHz. Dans de telles conditions, la plage d’opération optimale de l’accéléromètre se situe entre environ 1 et 330 Hz comme le montre la figure 2.13. Cette plage de fréquence est donc adéquate dans le cadre de cette étude puisque les ondes étudiées se trouvent dans cette plage.

Figure 2.13 Plage théorique de performance optimale d’un accéléromètre.

Système d’acquisition

Il existe aujourd'hui une variété de systèmes d'acquisition pour répondre aux exigences les plus complexes. Lors des essais sur le site de l’IREQ, le système doit permettre de visualiser en temps réel l'énergie et le contenu fréquentiel des signaux enregistrés. Ces mesures peuvent être obtenues en utilisant un conditionneur de signaux de la marque PCB 481A2 avec gain programmable, une carte d’acquisition de la marque Measurement Computing (PCI- DAS6402/16) et un ordinateur.

2.3.2 Validation de l’efficacité du type d’impact utilisé

Cette section a pour but de montrer la validité ainsi que la répétitivité du type d’impact utilisé lors de cette étude. Premièrement, la figure 2.14 montre le contenu énergétique (spectre unilatéral), mesuré à une distance de 0.02 m de l’impact, de trois différents impacts réalisés sur une plaque de métal à l’aide du même marteau métallique. La figure 2.14 montre que l’énergie transférée au sol est similaire pour chacun des impacts et qu’il est donc approprié d’utiliser la moyenne de trois signaux lors de l’analyse.

VdB

1 Hz Fr/3 Fr

Log Fréquence (Hz) Performance optimum

Figure 2.14 Contenu énergétique, mesuré à une distance de 0.02 m, de 3 différents impacts réalisés sur une plaque de métal à l’aide du même marteau métallique.

Deuxièmement, la figure 2.15 montre l’influence que peut avoir le type de marteau utilisé afin de donner un impact sur la plaque de métal. La figure 2.15a montre la moyenne du contenu énergétique de trois signaux enregistrés à une distance de 0.1 m du point d’impact entre une plaque de métal et un marteau métallique ainsi qu’entre la même plaque, mais avec un maillet de plastique. La figure 2.15b suit le même principe que la figure 2.15a, mais pour une source et un capteur placés à un endroit différent sur le site expérimental de l’IREQ. La figure 2.15 démontre que le type de marteau utilisé n’a pas une grande influence sur l’énergie transférée dans le sol tandis que la localisation de la source affecte légèrement l’énergie transférée dans le sol. Ce phénomène est toutefois normal puisque les propriétés dynamiques du profil souterrain se trouvant en dessous de la source et du capteur conditionnent la réponse du sol qui est enregistrée par le capteur. La différence entre les profils de la figure 2.15a et ceux de la figure 2.15b s’explique donc par le fait que le profil souterrain se trouvant en dessous de chacune des sources n’a pas exactement les mêmes propriétés dynamiques.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 0 0.05 0.1 0.15 A m plitu de Fréquence (Hz) Impact 1 Impact 2 Impact 3

Figure 2.15 a : Contenu énergétique, mesuré à une distance de 0.1 m de l’impact, de la moyenne de 3 différents impacts réalisés à l’aide de 2 marteaux différents. b : Comme la

figure 2.15a, mais pour une source située à un emplacement différent.