Étude numérique de l'interaction des ondes de surface avec les cavités souterraines

L’effondrement des remblais routiers causé par le développement de cavités souterraines autour des ponceaux pose un risque majeur pour la sécurité des usagers et les installations à proximité. La détection de vides peu profonds est devenue l'une des missions récurrentes difficiles en génie civil à cause de la complexité de la réponse sismique d’un remblai routier en présence d’un ponceau et d’éventuelles cavités. Bien que les méthodes non intrusives basées sur les ondes de surface permettent d’estimer efficacement la vitesse des ondes de cisaillement des dépôts de sol, de nombreux défis sont rencontrés lorsqu'il s'agit de juger de la présence d'une inhomogénéité latérale locale en raison de la résolution limitée des approches géophysiques appliquées. Par conséquent, une étude numérique a été entreprise pour étudier la sensibilité des deux composantes des ondes de Rayleigh (la composante horizontale et la composante verticale désignées X et Z respectivement dans cette étude) et la seule composante des ondes de Love (désignée Y dans cette étude) à un contraste de rigidité (vide) dans différents contextes géologiques. Les accélérations des trois composants sont simulées au moyen du programme de modélisation numérique par éléments finis FLAC3D (Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions) pour différentes configurations de modèles en présence et en absence de cavité. Les données sismiques sont traitées avec la transformée de Stockwell généralisée (GST) dans le domaine temps-fréquence. Les résultats sont présentés sous forme des tomographies des courbes de dispersion des vitesses de groupe et de phase pour évaluer l'effet de la cavité et la localiser par rapport à la source. La signature de la cavité a également été étudiée à deux différentes profondeurs à partir du modèle parfaitement homogène. Les distributions de vitesse des trois composants ont révélé des changements négligeables après la création de la plus profonde cavité. Les observations numériques ont démontré que les vitesses de phase sont plus sensibles que la vitesse de groupe aux variations latérales de densité. De plus, on peut conclure que les trois composants ont révélé des distributions de vitesse de phase perceptibles et distinctes en présence d’un vide. La composante X s'est également avérée plus efficace pour localiser la cavité. Les résultats de cette étude numérique suggèrent l’acquisition des trois composantes lors des relevés sismiques sur terrain et d’intégrer simultanément ses trois composantes lors de l’analyse pour une plus grande fiabilité.Abstract : A road collapse caused by the development of near-surface cavities surrounding buried culverts poses a major hazard to road users’ safety and nearby facilities. The complexity of the road embankment seismic response has made it a challenging recurring mission in civil engineering to detect shallow voids. Although non-intrusive surface wave methods afford reliable shear wave velocity estimates of the subsurface materials, many challenges are encountered when judging the presence of a local lateral heterogeneity due to the limited resolution of the applied geophysical approaches. Therefore, a numerical study was conducted to investigate the sensitivity of the two Rayleigh waves components (the horizontal and vertical components, designed as X-component and Z-components, respectively in this study) and the only Love waves component (designed as Y-component in this study) to a contrast of rigidity (void) in different geological contexts. The accelerations of the three components are computed using a finite element commercial code FLAC3D (Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions) for different model configurations both with and without a cavity. The seismic data are processed using the Generalized Stockwell transform (GST) in the time-frequency domain. To evaluate the effect of the cavity and locate it with respect to the source offset, the results are presented in the form of tomography maps and the group and phase velocity dispersion curve variations along the inspected array. The cavity signature was also studied at two depths relying on a perfectly homogeneous model. The velocity distribution change of the three components revealed minor changes after creating the deeper cavity. Moreover, the numerical observations demonstrated that the phase velocity is considerably more susceptible to lateral density variations than the group velocity. It was concluded that the three components revealed perceptible and distinct phase velocity changes in the presence of the void. The X-component was also found to be more effective in localizing the near and far boundaries of the cavity. The results of this numerical study suggest acquiring the three components during field seismic surveys and integrating the three components simultaneously during the analysis procedure for better efficiency