TOMOGRAPHIE ÉLECTRIQUE EN GÉNIE ET EN ENVIRONNEMENT

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1 TOMOGRAPHIE ÉLECTRIQUE EN GÉNIE ET EN ENVIRONNEMENT
par Michel Chouteau et Erwan Gloaguen

2 Principes de la méthode de résistivité DC
Définitions La loi d’Ohm La distribution des lignes de courant et des équipotentielles pour un dipôle d’injection La mesure de la résistivité apparente Pénétration en fonction de l’écartement des électrodes de courant Dispositifs communément utilisés Modes de mesure : profilage et sondages Cours tomographie électrique Avril 2003

3 Cours tomographie électrique
Définitions -La conductivité électrique (et son inverse la résistivité électrique) représente la capacité de la matière à mettre en mouvement les charges libres sous l'action d'un champ électrique. -La permittivité électrique caractérise la redistribution locale des charges liées sous l'action d'un champ électrique. Cours tomographie électrique Avril 2003

4 Cours tomographie électrique
La loi d’Ohm ampèremètre La loi d’Ohm: V = R.I La résistance R dépend de la géométrie du matériau; pour une cylindre de section A et de longueur L, r = R.A/L Où r est la résistivité du matériau batterie Cours tomographie électrique Avril 2003

5 Cours tomographie électrique
Distribution des lignes de courant et équipotentielles (dipôle d’injection) Le courant circule dans le sol d’une électrode de courant à l’autre. La densité de courant est plus forte près de la surface qu’en profondeur Lignes de courant et équipotentielles Ligne de courant % de courant 1 17 2 32 3 42 4 49 5 51 6 57 Cours tomographie électrique Avril 2003

6 Résistivité apparente
-La résistivité apparente est la valeur de résistivité obtenue sur le terrain. -Elle résulte de la contribution volumique de toutes parcelles du milieu traversé par le courant émis en fonction de la distance à la source. -Si le sol est homogène la résistivité apparente est égale à la résistivité intrinsèque. Cours tomographie électrique Avril 2003

7 Mesure de la résistivité apparente
Pour mesurer la résistivité du sol, on utilise un quadripôle, formé d’un dipôle d’injection de courant et d’un dipôle pour la mesure de la différence de potentiel V Profondeur (m) Cours tomographie électrique Avril 2003

8 Pénétration en fonction de l’écartement des électrodes de courant
50 % de tout le courant circule sur une profondeur inférieure à la séparation des électrodes. Pour augmenter la pénétration, on augmente la séparation des électrodes Espacement = 10 m Espacement = 50 m Profondeur (m) Profondeur (m) Cours tomographie électrique Avril 2003

9 Dispositifs communément utilisés
Dispositif Wenner: C’est un quadripôle avec une distance identique entre les électrodes. Le dipôle de mesure de tension est au centre. Dispositif Wenner Cours tomographie électrique Avril 2003

10 Sensibilité des dispositifs
Cours tomographie électrique Avril 2003

11 Dispositifs et avantages
Le dispositif Wenner : recommandé pour les structures horizontales. profondeur d'investigation plus faible que celle du Dipôle-Dipôle et du Wenner-Schlumberger le nombre de points à l'acquisition est inférieur à celui du Dipôle-Dipôle et du Wenner-Schlumberger; cet effet se fait surtout sentir sur les bords Le dispositif Wenner-Schlumberger : recommandé à la fois pour les structures horizontales et verticales. profondeur d'investigation est d'environ 10 % plus élevée qu'avec le Wenner le nombre de points à l'acquisition est plus grand que pour le Wenner mais inférieur à celui du Dipôle-Dipôle Le dispositif Dipôle-Dipôle : recommandé surtout pour les structures verticales. profondeur d'investigation plus grande que pour le Wenner et Wenner-Schlumberger le nombre de points à l'acquisition est plus grand que pour le Wenner et le Wenner-Schlumberger nécessite des appareils sensibles et un bon couplage des électrodes avec le sol peut être utilisé pour de la 3D seulement pour des grilles de 12 x 12 électrodes Cours tomographie électrique Avril 2003

12 Dispositifs et avantages
Le dispositif Pôle-Dipôle : dispositif asymétriques pouvant créer des artéfacts profondeur d'investigation intermédiaire entre le Dipôle-Dipôle et le Pôle-Pôle sensible au bruit nécessité de mettre une électrode à l'infini Le dispositif Pôle-Pôle : profondeur d'investigation la plus profonde faible résolution nécessité de mettre deux électrodes à l'infini très sensible au bruit surtout utile en 3D, car grand nombre de points à l'acquisition Cours tomographie électrique Avril 2003

13 Cours tomographie électrique
Dispositifs Cours tomographie électrique Avril 2003

14 Cours tomographie électrique
Conseils pratiques -En présence d'un terrain bruité et sans aucune connaissance préalable de la géométrie du corps à étudier, utiliser de préférence un dispositif Wenner-Schlumberger. Ce dispositif peut à la fois être utilisé en recherche géologique à grande échelle, en hydrogéologie, en génie-civil, en archéologie et pour des problèmes d'environnement. -Si l'on recherche des structures verticales dans une zone qui n'est pas trop bruitée, avec un résistivimètre est assez sensible et un bon contact avec le sol, il est recommandé d'utiliser un dispositif Dipôle-Dipôle. Ce dispositif peut par exemple convenir en archéologie, en géophysique minière et en génie-civil. -Lorsqu'il s'agit de mettre en évidence des structures horizontales, si votre terrain n'est pas trop bruité et que vous disposez de peu de temps, utiliser un dispositif Wenner. Enfin, en 3D, utiliser un dispositif pôle-pôle ou Dipôle-Dipôle. Cours tomographie électrique Avril 2003

15 Modes de mesure : profilage et sondage
Espacement = 10 m Espacement = 25 m Profondeur (m) Profondeur (m) Espacement = 50 m Espacement = 75 m Profondeur (m) Profondeur (m) Cours tomographie électrique Avril 2003

16 Cours tomographie électrique
Coup-de-prise Voici le profil de résistivité apparente qu’on obtiendrait perpendiculairement à un contact vertical entre deux terrains de résistivité différente avec un AB très grand et un MN infiniment petit. Dans la pratique, les dimensions de AB et MN sont finies et l'allure de la courbe des résistivité apparentes se complique par des variations brusques que l'on appelle des à-coups de prise. Cours tomographie électrique Avril 2003

17 Cours tomographie électrique
Sondage Courbe de sondage Sondage Couches 50 Ω.m sur 250 Ω.m Espacement = 10 m Espacement = 25 m Profondeur (m) Profondeur (m) Résistivité apparente (Ω.m) Espacement = 50 m Espacement = 75 m Profondeur (m) Profondeur (m) Espacement (m) Cours tomographie électrique Avril 2003

18 Resistivités des matériaux les plus communs
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19 Tomographie de résistivité (TR)
Profilage et sondage simultanés Représentation : pseudo-section Image du modèle de résistivité : inversion des mesures Cours tomographie électrique Avril 2003

20 Profilage et sondage simultanés
Wenner Cours tomographie électrique Avril 2003

21 Cours tomographie électrique
PROCÉDURE DE TERRAIN Cours tomographie électrique Avril 2003

22 PROCÉDURE DE TERRAIN: ‘ROLL-ALONG’
Cours tomographie électrique Avril 2003

23 Représentation : la pseudo-section
Les données mesurées ra sont présentées en sections de contour ou de couleur. L’axe vertical est une pseudo-profondeur proportionnelle à l’écartement des électrodes. La mesure est reportée au point: d’abscisse = milieu du dispositif utilisé d’ordonnée = pseudo-profondeur. Résistivité apparente observée Cours tomographie électrique Avril 2003

24 CONSTRUCTION DE LA PSEUDO-SECTION
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25 Image du modèle de résistivité: inversion des mesures
Modèle de dalle Données observées Données calculées à partir du modèle final (res2dinv (Loke,1993)) Modèle final Cours tomographie électrique Avril 2003

26 Cours tomographie électrique
MAILLAGE D’UN MODÈLE Cours tomographie électrique Avril 2003

27 Cours tomographie électrique
MAILLAGE D’UN MODÈLE Cours tomographie électrique Avril 2003

28 PSEUDO-SECTIONS D’UN BLOC
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29 PLAQUE HORIZONTALE EN DIPÔLE-DIPÔLE
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30 PLAQUE HORIZONTALE EN SCHLUMBERGER
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31 PLAQUE HORIZONTALE EN WENNER
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32 Cours tomographie électrique
DYKE EN DIPÔLE-DIPÔLE Cours tomographie électrique Avril 2003

33 Cours tomographie électrique
DYKE EN SCHLUMBERGER Cours tomographie électrique Avril 2003

34 DEUX BLOCS EN DIPÔLE-DIPÔLE
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35 Cours tomographie électrique
CONTACT Cours tomographie électrique Avril 2003

36 Cours tomographie électrique
CAS 1 Cours tomographie électrique Avril 2003

37 Cours tomographie électrique
CAS 2: DYKE Cours tomographie électrique Avril 2003

38 Cours tomographie électrique
CAS 3: CONTAMINATION Cours tomographie électrique Avril 2003

39 CAS 4: MONITORING (INFILTRATION)
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40 CORRECTION TOPOGRAPHIQUE
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41 La résistivité du béton
Fonction de plusieurs paramètres Recommandations du RILEM Cours tomographie électrique Avril 2003

42 FACTEURS AFFECTANT LA QUALITÉ DU BÉTON
Composition Sels déglaçants Fissures Défauts internes Armatures: fissuration délamination Support inadéquat de la fondation granulaire Fissuration armature Écaillage Délamination Cours tomographie électrique Avril 2003

43 Résistivité de quelques matériaux
min-max typique béton Ω.m 300 Ω.m acier Ω.m 10-7 Ω.m eau (douce) Ω.m 100 Ω.m eau (sel) 0, Ω.m 5 Ω.m air ∞ Ω.m ∞ asphalte Ω.m 5 000 Ω.m Cours tomographie électrique Avril 2003

44 Résistivité du béton et taux de corrosion (RILEM TC154-EMC)
Résistivité (Ω.m) Risque de corrosion <100 élevé modéré faible >1000 négligeable Cours tomographie électrique Avril 2003

45 RÉSISTIVITÉ FONCTION DU TEMPS ET DE LA COMPOSITION
Bon Mauvais Bon: 30 MPa (e/c: 0.46) Mauvais: 15 MPa (e/c: 0.80) Cours tomographie électrique Avril 2003

46 Principes d’application de la TR à la caractérisation du béton
dalle de béton et armatures sels déglaçants fissures défauts épaisseur de l’asphalte Cours tomographie électrique Avril 2003

47 Épaisseur de la dalle et armatures
Air Béton armatures Cours tomographie électrique Avril 2003

48 Modèle (2 niveaux d’armatures)
Log r Image obtenue par inversion 3D Cours tomographie électrique Avril 2003

49 Coupes horizontales de l’image 3D
Log r Cours tomographie électrique Avril 2003

50 Défaut (vide) dans la dalle de béton
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51 Cours tomographie électrique
Avril 2003

52 Cours tomographie électrique
Image du défaut cavité Cours tomographie électrique Avril 2003

53 Cours tomographie électrique
Fissures Cours tomographie électrique Avril 2003

54 Épaisseur de l’asphalte
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55 Problèmes d’application; solutions
Très lent si contact des électrodes et courant quasi-DC Carbonatation Présence d’asphalte ou de membrane Solutions: Système électrostatique couplé capacitivement Cours tomographie électrique Avril 2003

56 Dispositifs mobiles: Train de dipôles électrostatiques
Utilisant des dipôles couplés capacitivement au sol courant AC (~100 KHz) Approximation statique valide pour L2 f/r <<105 Respecté pour L<2m et f<1MHz Comparaison directe avec la résistivité DC Cours tomographie électrique Avril 2003

57 Dispositif mobile: train de dipôles en ligne ou équatorial
MRU-MRP (CNRS-LGA) Cours tomographie électrique Avril 2003

58 Ohmmapper (Geometrics)
CORIM (IRIS) Cours tomographie électrique Avril 2003

59 Équipements disponibles, coûts
Systèmes multi-électrodes statiques: ABEM (Suède), Scintrex (Canada), IRIS (France), AGI (U.S.A.) Systèmes de mesures en continu: IRIS: CORIM LAGA: MUCEP GEOMETRICS: OhmMapper Coûts des levés: à spécifier Cours tomographie électrique Avril 2003

60 Cours tomographie électrique
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61 Cours tomographie électrique
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62 Cours tomographie électrique
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