L’analyse comparative des ondes de surface révèle des insights cruciaux sur les propriétés géotechniques du sol. Cette étude novatrice, menée à l’Institut Supérieur d’Application Des Géosciences, transforme notre compréhension des matériaux en profondeur, avec des implications significatives pour l’ingénierie géotechnique.
CHAPITRE V :
METHODE D’ANALYSE MULTICANAUX DES ONDES DE SURFACE
(Multichannel Analysis of Surface Waves Method MASW)
La nature dispersive des ondes de surface en milieu stratifié fournit des informations essentielles sur les propriétés des matériaux proches de la surface. La base de la plupart des méthodes d’analyse des ondes de surface est une détermination précise de la vitesse dépendant de la fréquence du mode fondamental des ondes de Rayleigh (Park et al, 1997).
En plus d’être liée à la fréquence, la vitesse de l’onde de Rayleigh est liée à plusieurs groupes de propriétés de la Terre. La plus importante est la vitesse de l’onde de cisaillement des différentes couches du sol. En inversant, ainsi, la vitesse des ondes de Rayleigh, on obtient le profil de vitesse des ondes de cisaillement pour le site d’essai (Xia, Miller & Park, 1999).
Ondes de surface
Dans un milieu élastique infini, il ne peut exister que des ondes de volume (longitudinales et transversales). Quand le milieu élastique infini est divisé en deux milieux aux propriétés élastiques différentes, leur surface de séparation donne naissance à des réflexions des ondes de volume. Celles-ci vont se combiner pour générer un nouveau type d’ondes appelées ondes de surface.
Des travaux montrent que dans un milieu semi-infini, près de 67 % de l’énergie engendrée par une source sismique donnée se propage sous forme d’ondes de surface et le reste sous forme d’ondes de volume (26% d’ondes de cisaillement et 7% d’ondes de compression) (Miller et Pursey (1955)). La vitesse des ondes de surface est plus faible que celle des ondes P et S.
Ces ondes sont les dernières à se manifester sur un enregistrement (sismogramme). Leur énergie s’affaiblit exponentiellement en fonction de la profondeur. A l’inverse des ondes de volume, généralement indépendantes de la fréquence (très peu dispersives), les ondes de surface ont la grande caractéristique d’être dispersives c’est-à-dire que leur vitesse dépend de leur fréquence.
Cette dispersion produit une déformation de la forme de l’onde. Les ondes de surfaces regroupent :
- Les ondes de Rayleigh ;
- Les ondes de Love ;
- L’onde de Stoneley ;
- Les ondes de Scholte.
Les ondes de Rayleigh, de Stoneley et de Scholte ont des mécanismes de propagation très semblables et différents de ceux de l’onde de Love. Les ondes de surface les plus étudiées et couramment utilisées, sont les ondes de Rayleigh et les ondes de Love. En prospection sismique terrestre, ces dernières connues sous le nom de « Ground-Roll » forment un bruit nuisible lors de l’enregistrement des ondes de volume dont on ne peut jamais se débarrasser complètement. Elles se propagent dans les couches superficielles du sous-sol avec des vitesses relativement faibles comparables à celles des ondes transversales.
Onde de Rayleigh
Les ondes de Rayleigh résultent de l’interaction (Interférences constructives) entre les ondes P et SV au voisinage de la surface du sol. Dans un milieu élastique homogène et isotrope, seules apparaissent des ondes de Rayleigh ; elles se propagent sur l’interface libre. A la surface leurs amplitudes sont élevées. Ces amplitudes se réduisent d’une manière exponentielle avec la profondeur et s’annulent quand cette profondeur s’approche de la longueur d’onde.
Caractère dispersif des ondes de Rayleigh
Dans un milieu stratifié, les ondes de Rayleigh sont dispersives. La dispersion est la dépendance de la vitesse à la fréquence. La prospection sismique par ondes de surface repose sur le phénomène de dispersion. Celle-ci traduit la relation entre profondeur de pénétration des ondes sismiques de surface et les propriétés élastiques du milieu qui varient avec la profondeur.
En effet, si le milieu géologique, dans lequel se propagent les ondes de surface, possède des propriétés élastiques variables avec la profondeur, alors la vitesse des ondes de surface varie avec la longueur d’onde. Les ondes de surfaces à haute fréquence (faibles longueurs d’ondes) provoquent un mouvement des particules localisées plus en surface alors que le mouvement des particules du milieu plus profond est lié aux basses fréquences (grandes longueurs d’ondes) figure 17.
Il en résulte que la profondeur d’investigation dépend donc des fréquences enregistrées.
En milieu dispersif, des ondes de différentes fréquences se propagent à des vitesses différentes : la vitesse de groupe et la vitesse de phase.
- La vitesse de groupe correspond à la vitesse de propagation de l’enveloppe du train d’ondes (vitesse du paquet énergétique) ;
- La vitesse de phase correspond à la distance parcourue par unité de temps, par un point de phase constante de la surface d’onde. Cela peut être par exemple un pic (maximum) ou un creux (minimum) ou encore un point nul du signal.
Figure 17 : Les ondes de Rayleigh de basses fréquences (a), pénètrent plus profondément que les ondes de Rayleigh de hautes fréquences (b) et (c). (Evrett, 2013)
Questions Fréquemment Posées
Quelles sont les principales ondes de surface étudiées en prospection sismique ?
Les ondes de surface les plus étudiées et couramment utilisées sont les ondes de Rayleigh et les ondes de Love.
Comment la vitesse des ondes de Rayleigh est-elle liée aux propriétés du sol ?
La vitesse de l’onde de Rayleigh est liée à plusieurs groupes de propriétés de la Terre, notamment la vitesse de l’onde de cisaillement des différentes couches du sol.
Pourquoi les ondes de surface sont-elles considérées comme dispersives ?
Les ondes de surface sont considérées comme dispersives car leur vitesse dépend de leur fréquence, ce qui entraîne une déformation de la forme de l’onde.