Characterization of heterogeneous soils using geophysical measurements
Caractérisation de sols hétérogènes par des méthodes géophysiques
Résumé
Characterisation and sampling of coarse heterogeneous soils is often impossible using common geotechnical in-situ tests once the soil contains particles with a diameter larger than a few decimetres. In this situation geophysical techniques - and particularly electrical measurements - can act as an alternative method for obtaining information about the ground characteristics. This paper deals with the use of electrical tomography on heterogeneous diphasic media consisting of resistive inclusions embedded in a conductive matrix. The adopted approach articulates in three steps: numerical modelling, measurements on a small-scale physical model, and field measurements. Electrical measurements were simulated using finite element analyses, on a numerical model containing randomly-spread resistive inclusions with a concentration varying from 0 to 40 %. It is shown that for electrode spacing 8 times greater than the radius of inclusions, the equivalent homogeneous resistivity is obtained. In this condition, average measured resistivity is a function of the concentration of inclusions, in agreement with the theoretical laws. To apply these results on real data, a small-scale physical model has been built, where electrical measurements were conducted both on the model and on each phase. From these laboratory measurements, a very satisfying estimation of the percentage of inclusions has been obtained. Finally, the methodology was applied to a real experimental site composed of alluvial fan deposits made of limestone rocks embedded in a clayey matrix. The estimated percentage of rock particles obtained via electrical measurements was in accordance with the real grain size distribution.
La caractérisation et l'échantillonnage des sols à granulométrie étendue (alluvions, éboulis, moraines...) s'avère difficile voire impossible avec les méthodes géotechniques traditionnelles dès lors que ces matériaux contiennent des hétérogénéités de dimension décimétrique à métrique. Les méthodes géophysiques, non-destructrices et intégrant des informations sur un volume de sol important, apparaissent comme une alternative intéressante aux essais in-situ. Parmi les observables géophysiques, la résistivité électrique présente une très large gamme de variation selon les géomatériaux (1-104 Ω.m). L'objectif de cette étude est de préciser l'apport des mesures géophysiques, et plus particulièrement des mesures électriques, dans le cadre de la caractérisation des sols hétérogènes. Cette problématique a été abordée selon 3 approches : modélisation numérique, expérimentations sur modèle réduit au laboratoire, et mesures sur site réel. Des mesures de tomographie électrique ont été simulées sur un modèle numérique contenant des inclusions aléatoirement réparties et en proportion variable au sein d'une matrice plus conductrice. Les résultats obtenus ont permis d'une part de déterminer une condition nécessaire à l'homogénéisation du matériau, et d'autre part, de décrire l'augmentation de la résistivité effective avec la concentration du milieu en inclusions résistives, en accord avec les lois théoriques d'homogénéisation. Ces résultats ont été utilisés pour estimer avec précision la proportion d'inclusions résistives mises en place dans un modèle réduit développé au laboratoire. Enfin, sur un site réel, une campagne de mesure a été menée associant méthodes géophysiques (électriques, sismiques, radar) et méthodes géotechniques. Le pourcentage de blocs dans le sol, estimé grâce aux données électriques et sismiques, s'est avéré en accord avec la granulométrie réelle du sol.
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