Combien de temps faut-il à un radar de pénétration du sol (GPR) pour scanner le terre ?

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Le radar pénétrant au sol (GPR) est une technique géophysique non destructive basée sur la propagation et la réflexion d’ondes électromagnétiques de 20 MHz à 3 GHz. Il est sensible aux modifications des propriétés électromagnétiques du milieu (permittivité, conductivité et susceptibilité magnétique). Les recherches sont habituellement effectuées en déplaçant l’antenne à la surface, avec ou sans contact avec le sol. Les mesures sont prises à intervalles réguliers, ce qui permet une image rapide de la structure du sous-sol.

Le GPR enregistre les temps d’arrivée des différentes vagues et les ajoute à mesure qu’il progresse le long de l’objet étudié. Cette somme de mesures forme un radargram qui est une représentation graphique de la structure et de ses composants.

Dans une dernière étape, les heures d’arrivée enregistrées sont converties en distances en utilisant les différentes vitesses de propagation des vagues. Ces vitesses de propagation sont étalonnées localement à l’aide de sondages.

La technique de radar de pénétration du sol, créée à l’origine dans les années 1960, est maintenant utilisée en géologie (détection du substrat rocheux, formations géologiques spécifiques, fractures, phénomènes karstiques, etc.), archéologie (cartographie des sites enfouis), hydrogéologie (profondeur des eaux souterraines, détection des zones contaminées) et génie civil (inspection des structures en béton, des routes, des chemins de fer et autres structures enfouies). En ce qui concerne les essais routiers, GPR a fait ses preuves pour évaluer l’épaisseur des différentes couches ou la qualité du revêtement (présence de vides, etc.). Le radar de pénétration du sol permet également de visualiser les variations de la structure de la route (détermination des zones homogènes) et ainsi de guider l’emplacement des forages ou des tranchées de reconnaissance.

En combinaison avec les mesures de déflexion et de carotte, il améliore l’évaluation des modules des différentes couches par des calculs inverses grâce à une meilleure estimation de leur épaisseur et de leur distribution spatiale.

Une bonne maîtrise de la technologie radar à pénétration du sol est importante pour la réussite des campagnes de mesure. Ainsi, un choix judicieux du type de radar et d’antenne (y compris la gamme de fréquences ou la fréquence centrale) peut maximiser la qualité des données obtenues. De même, le choix des paramètres de mesure, puis le traitement et l’interprétation des données, sont tous des facteurs qui nécessitent une certaine expérience utilisateur.

Fonctionnement

La plupart des géoradars fonctionnent dans le temps, émettant de très courtes impulsions électromagnétiques (de l’ordre de quelques nanosecondes) et enregistrant le signal réfléchi en fonction du temps (figure 2). Le signal correspondant possède une large bande de fréquence dans la gamme de fréquences. La fréquence centrale est celle pour laquelle l’amplitude est la plus élevée. D’autres types de radars (fréquence par pas) émettent des ondes sinusoïdales continues pour différentes fréquences, puis reconstruisent éventuellement le signal dans le domaine temporel en utilisant une transformation inverse de Fourier.

Les radars

Les matériaux basés sur la réflexion d’ondes électromagnétiques à l’interface de matériaux de différentes natures permettent un emplacement bidirectionnel avec une représentation graphique directe dans un plan X-Z pour une coupe Y donnée. Ils ne déterminent pas le diamètre des armatures. Selon le type et la fréquence centrale de l’antenne utilisée, l’état de l’eau et le diamètre des renforts internes recherchés dans le béton, la profondeur de détection peut atteindre environ 600 mm ou même 900 mm si « basse fréquence » les antennes sont utilisées et l’absence d’un lit de renforts entre le parement et les renforts recherchés.

À mesure que la fréquence centrale de l’antenne diminue, la profondeur d’investigation augmente, mais la résolution verticale (distance minimale pour détecter deux « interfaces » parallèles sans entrelacement de signaux radar) augmente également (et vice versa). Par exemple, des armatures de 12 mm de diamètre peuvent être détectées par une antenne de 900 MHz, de fréquence centrale, mais dans le cas d’un lit près du parement, le signal caractéristique des armatures sera « brouillé » dans l’écho de surface, tandis que des antennes de « hautes fréquences » fournira une meilleure séparation Z.
L’estimation des profondeurs nécessite de connaître les propriétés électromagnétiques (principalement la conductivité électrique et la perméabilité diélectrique) du béton concerné par l’expertise. Pour ce faire, un étalonnage de la constante diélectrique (et donc de la vitesse des ondes radar) est nécessaire. Pour cela, il n’est pas recommandé d’utiliser une valeur prédéfinie de la vitesse des ondes radar dans le béton pour interpréter les radargrammes. Deux méthodes d’étalonnage sont généralement utilisées :

  • Pour un élément structurel d’épaisseur connue, le temps de propagation des ondes radar lui permet d’augmenter à une vitesse moyenne. Il est fortement recommandé de trouver un élément dont l’épaisseur peut être mesurée directement. À défaut, les dessins fournis par le gestionnaire de projet doivent être utilisés. En cas de doute, l’étalonnage sur des carottes prélevées sur la structure permet d’améliorer la précision sur la profondeur.
  • L’étalonnage post-traitement du signal radar permet d’estimer la vitesse moyenne des ondes radar entre la surface et les renforts détectés, à condition que ces renforts puissent être considérés comme des « objets ponctuels » (dans le cas de cadres isolés lorsque le mouvement de l’antenne radar est perpendiculaire à ces cadres). Il convient de noter que les gradients d’eau internes modifient considérablement la vitesse des ondes radar, et cette vitesse peut varier entre le béton cutané et le béton plus profond. Il faut donc s’installer sur des « objets ponctuels » situés à peu près à la même profondeur que les objets recherchés (en cas de détection de ferraillage, on s’installe généralement sur les objets recherchés, donc en pratique cela ne pose pas de problème).

L’imagerie radar fournit beaucoup plus d’informations que la méthode pachométrique, et sur une plus grande profondeur (50 à 60 cm ou plus selon les antennes utilisées).

En effet, il est possible de mesurer des épaisseurs, de localiser des gaines, des câbles, des vides, des détachements, des hétérogénéités, etc.

Donc, si des résultats directs sont souhaités par l’affichage en temps réel d’un diagramme des structures sans avoir à interpréter les données, un radar de pénétration du sol est nécessaire pour scanner le béton ! Cela permet la localisation en temps réel des cibles et l’imagerie radiographique, avec des acquisitions qui affichent des images haute résolution en 2D et 3D pour une meilleure visualisation des structures. L’antenne permet l’inspection de zones complexes avec une résolution verticale et horizontale. L’appareil est équipé d’un laser pour pouvoir localiser et marquer les cibles à l’aide d’un curseur de sauvegarde.