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Sautages d'explosifs et dégâts aux bâtiments

Publié à l'origine en septembre 1967.

T.D. Northwood et R. Crawford

Lorsque des sautages d'explosifs ont lieu dans une région habitée,

il arrive souvent que les occupants des bâtiments environnants

perçoivent les vibrations du sol qui accompagnent ces opérations. Ils

remarquent pour la première fois la présence de certaines lézardes dans

leurs murs ou leurs fondations, et en déduisent inévitablement qu'elles

résultent des explosions. Cette conclusion, habituellement erronée, est

due au fait que le seuil de perception des vibrations est chez l'homme

bien en-dessous du seuil de perception des dommages aux constructions.

Ces lézardes, qui résultent peut-être d'un affaissement ou d'une

contraction des matériaux, sont restées inaperçues pendant des années.

Il est cependant exact que les sautages d'explosifs peuvent causer des

dommages, et il en existe des exemples. On va étudier dans le présent

digeste les circonstances dans lesquelles ils peuvent se produire.

Mécanisme d'une explosion

Les sautages d'explosifs ont pour objet de morceler des matériaux de

manière à pouvoir les enlever. Au-delà de la zone dans laquelle les

matériaux sont effectivement broyés et déplacés, il existe généralement

une zone relativement restreinte où se produisent des déformations

plastiques et des fissurations. Au-delà de cette zone, l'énergie

restante se propage dans le sol sous forme d'onde élastique. Si la

charge d'explosif est voisine de la surface, il peut également se

produire une propagation d'ondes dans l'air. Ce cas sera étudié à part.

A faible distance, les ondes se propagent sphériquement et leur

amplitude décroît en raison inverse de la distance au point

d'explosion. A de plus grandes distances, le processus de propagation

subit l'action de deux autres facteurs: 1) l'onde se divise en trois

sortes d'ondes se propageant à des vitesses différentes; 2) des

solutions de continuité du milieu, telles que stratifications ou

crevassements, peuvent provoquer des effets supplémentaires de

diffusion et de dispersion; l'existence, sur le trajet de l'onde, d'une

importante faille géologique, peut constituer un puissant obstacle à sa

propagation.

Tous ces facteurs tendent à réduire l'amplitude de l'onde d'une

manière plus prononcée que ne le prédit la loi de l'inverse de la

distance. On estime que les relations de distance mentionnées dans la

présente étude constituent une évaluation prudente; elles représentent

les niveaux de vibration à prévoir en milieu élastique relativement

homogène, et à distance assez faible pour ne permettre qu'une

dispersion minime.

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Propriétés des ondes d'explosion

Dans le voisinage immédiat du point d'explosion, la perturbation

affecte la forme d'une pulsation unique. Son amplitude maximale et sa

durée dépendent des propriétés du milieu, ainsi que des propriétés et

de l'importance de la charge explosive. L'onde élastique résultante

présente une pente initiale très accentuée, suivie par une série

irrégulière d'oscillations (figure 1).

Figure 1. Enregistrement d'une vibration-type produite par une explosion

Lorsque la perturbation atteint un point déterminé, une particule du

milieu considéré est déplacée par rapport à sa position de repos. On

peut enregistrer ou mesurer ce déplacement particulier; on peut aussi

enregistrer la vitesse ou l'accélération de la particule. Ces trois

quantités sont liées. L'onde n'étant pas simple, il est cependant

difficile d'en calculer une en fonction d'une autre. Pour cette raison,

il est préférable de mesurer la force causant les dommages de la

manière la plus directe et la plus générale.

Il n'existe pas de relation directe entre le déplacement absolu

d'une particule et le dommage; l'élément important est le déplacement relatif,

c'est-à-dire la déformation. Il s'agit d'une nouvelle quantité qui peut

en principe être mesurée, mais qui, dans les ouvrages rencontrés

ordinairement, varie d'un point à un autre d'une manière imprévisible.

Si l'ouvrage étudié affecte la forme d'une masse concentrée à

sustentation bien définie, on peut évidemment déterminer les forces de

sustentation en mesurant l'accélération de la masse. L'expérience

montre que l'accélération subie par les particules dans les ouvrages

fournit un assez bon indice général des dommages probables.

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Si l'on considère une onde élastique se propageant en milieu

indéfini, les contraintes subies par le milieu sont directement

proportionnelles aux vitesses des particules. La relation mathématique

entre ces éléments dépend du module d'élasticité du matériau en cause.

Mais comme il existe en gros une relation entre le module d'élasticité

et la limite élastique, on peut s'attendre à ce que la vitesse de la

particule fournisse une bonne indication générale des dommages à

prévoir dans le milieu. Les observations expérimentales confirment

qu'il existe une relation très étroite entre les dommages structuraux

et les vitesses des particules dans les portions d'ouvrages dont le

contact avec le sol est le plus intime. La figure 2 représente les

composantes horizontales et verticales des vitesses de particules dans

les murs d'un sous-sol et leur relation avec la production de dommage.

On recommande de considérer la vitesse comme l'indice le plus sûr de la

probabilité de dommage.

Figure 2. Vitesse de particule et dommage causé aux murs d'un sous-sol

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Nature des dommages produits par les explosions

Il existe rarement une distinction nette entre les dommages produits

par des explosions et ceux qui résultent d'autres causes. Les

indications qui suivent pourraient cependant guider dans une certaine

mesure lors des études après coup ou, ce qui est préférable, lorsqu'on

met au point un programme d'examen préliminaire et après coup des

ouvrages. Il est fortement recommandé de procéder à une inspection

préalable toutes les fois qu'il existe une probabilité de voir les

vibrations dues aux explosions approcher le seuil d'endommagement.

Le premier dommage se produit ordinairement dans le mur de sous-sol

le plus voisin de l'explosion. L'étendue des dommages pouvant affecter

le reste de la construction dépend de l'importance de la charge

d'explosif et de la distance séparant celle-ci de la construction.

Lorsque la distance croît, il faut naturellement un accroissement

correspondant de la charge nécessaire pour produire des dommages. Si la

charge croît, la durée de la perturbation croît également. Il en

résulte qu'en cas d'accroissement des charges la région soumise à

perturbation instantanée grandit, de sorte qu'une fraction croissante

de la construction tend à entrer en vibration simultané.

A des distances inférieures à 20 pieds, la zone endommagée se limite

à la petite portion du mur du sous-sol la plus voisine des charges

explosives. Dans un mur homogène il se créera des lézardes au point le

plus voisin de la charge. Elles peuvent naître dans n'importe quelle

direction. S'il existe dans les murs des points faibles au voisinage du

point le plus proche de l'explosion, (ouvertures, joints de

construction, anciennes lézardes dues à un affaissement) la nouvelle

brèche s'y produira de préférence. Les murs de maçonnerie sont presque

invariablement endommagés le long des joints unissant leurs éléments.

A des distances de 20 à 100 pieds, la zone des dommages devient

moins nettement définie, bien que d'ordinaire elle soit limitée encore

au mur de sous-sol le plus proche de l'explosion. Les joints de

construction, les ouvertures, les anciennes lézardes, les points soumis

à des contraintes spéciales, tels que les intersections avec un mur de

flanc, constituent tous des points d'endommagement probable.

A des distances excédant 100 pieds, les charges d'explosif capables

de produire des dommages sont assez importantes pour que les ondes

engendrées par elles aient tendance à agir simultanément sur une

importante partie des fondements. Il est probable que dans ce cas

également les dommages affecteront d'abord le sous-sol. Mais il peut

exister aussi des indices prouvant que le bâtiment tout entier a été

secoué horizontalement par rapport à ses fondements, à peu près comme

sous l'action d'un tremblement de terre. Il peut se produire des

efforts de cisaillement entre fondements et murs, ou entre murs

latéraux et longitudinaux et planchers. Des éléments de maçonnerie tels

que cheminées et parapets peuvent subir des déplacements entre assises

inférieures et sections supérieures.

Les dommages résultant de l'action des forces horizontales se

manifestent le plus clairement dans des bâtiments assis sur le roc ou

sur des moraines de fond bien consolidées. Les bâtiments construits sur

des sols plus mous, particulièrement sur des sols humides, et sur les

sols dont la structure est affaiblie par des tassements antérieurs,

subissent presque toujours des affaissements supplémentaires.

Seuil d'endommagement

De la relation entre endommagement et vitesses de particules,

représentée à la figure 2, on peut conclure que le seuil des dommages

correspond à une vitesse horizontale (ou verticale) d'environ 3 pouces

par seconde dans les murs de fondation les plus voisins de l'explosion.

Il convient de noter que ceci concerne les vibrations intéressant

l'ouvrage plutôt que le sol. Il existe certains indices tendant à

prouver que les vibrations à la surface libre du sol peuvent dépasser

en importance celles qui affectent les murs porteurs; mais la relation

existante dépend probablement du manque de consistance du sol, ainsi

que de la masse et de la rigidité de l'ouvrage. On peut de même

déterminer le seuil en fonction d'une accélération (dans le bâtiment) à

peu près égale à g*, mais la valeur du seuil n'est pas dans ce cas

aussi bien définie qu'en fonction de la vitesse.

Figure 3. Probabilité de dommage en fonction de la charge d'explosif et de la distance

Il doit évidemment exister aussi une relation directe entre la

charge, la distance, et la probabilité d'endommagement; mais on peut

s'attendre à ce qu'elle dépende des variations dans la liaison entre

charge et matériau, dans la nature du matériau intermédiaire, et dans

le couplage entre matériau et bâtiment. La figure 3 donne une vue

d'ensemble de la situation. La région située en bas et a droite de la

figure est celle où l'endommagement est le moins probable; dans la

région supérieure gauche, il est très probable; la région intermédiaire

est celle dans laquelle, tenant compte des éléments complexes

mentionnés ci-dessus, des dommages peuvent se produire. Une relation

simple fournissant une limite prudente est donnée par E2/3 = d/10 dans laquelle E est le poids d'une charge simple de poudre et d la distance en pieds.

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En dehors des incertitudes mentionnées ci-dessus, on peut en

signaler deux autres. Il semble n'exister qu'une faible variation, à

poids égal livre pour livre, dans les niveaux de vibration produits à

distance par les explosifs usuels. Il existe cependant une relation

intéressante entre vibration élastique et bris des roches; si une

charge effectue un bon travail de morcellement et de déplacement des

matériaux environnants, elle engendre des niveaux de vibration

légèrement plus faibles qu'une charge incapable de faire son chemin

jusqu'à la surface libre du matériau. A l'intérieur de l'ouvrage, il

existe naturellement une relation entre le dommage et la force qui l'a

produit. C'est ainsi qu'un mur monolithique de béton en bonne condition

résistera passablement mieux qu'un mur de maçonnerie. Ces variables

influencent également les vibrations prenant naissance dans l'ouvrage;

c'est pourquoi la vitesse de particule est un indice plus précis du

seuil d'endommagement que la liaison entre charge et distance. On

recommande par suite d'utiliser la figure 3 seulement si les

coordonnées de la charge et de la distance tombent dans la zone

d'endommagement nul. On doit, pour les opérations représentées dans la

zone intermédiaire, se baser sur des mesures de vibrations.

Sautages à micro-retards

Il est d'usage courant chez les praticiens du sautage de ne pas

utiliser une charge unique, mais une série de charges réparties à

travers la masse de matériau à enlever. Il est également utile de

disposer les charges de manière qu'elles n'explosent pas simultanément,

mais à intervalles de quelques millisecondes. En fragmentant mieux les

matériaux et en laissant des surfaces de roche mieux définies dégagées,

cette technique améliore le rendement de l'explosion. Elle réduit aussi

considérablement les niveaux de vibration pour un poids total donné

d'explosif, car les divers retards étalent sur une plus longue durée

l'énergie produite. On peut admettre avec une bonne approximation que

les formules concernant les charges simples d'explosif sont valables à

condition de multiplier par 1.5 la charge totale de chaque explosion

différée.

Remarques relatives aux procédés d'enregistrement

L'enregistrement des vibrations constitue un sujet hautement

spécialisé dépassant les limites du présent digeste. Il ne sera

cependant pas inutile de donner ici quelques informations générales de

base.

On mesure ordinairement les vitesses de vibration au moyen d'un

capteur électromagnétique dont la fréquence de résonance est inférieure

au domaine auquel on s'intéresse (environ 2 ou 3 hertz). Cet appareil

est relié à un indicateur approprié qui peut consister en un dispositif

enregistreur ou en un simple compteur. Un enregistreur renseigne en

même temps sur la forme et l'amplitude des ondes, mais est un peu

compliqué pour l'emploi courant sur le terrain. Une autre méthode

consiste à utiliser les appareils nommés "mesureurs d'ondes de choc

d'impact" dans lesquels le compteur continue à indiquer pendant

quelques secondes la valeur maximale du signal qui l'a atteint. Ce

genre d'appareil ne donne que la vitesse maximale, mais ce

renseignement suffit pour la plupart des travaux d'enregistrement.

On a souligné le fait que la vitesse de particule est le paramètre

de vibration dont la mesure est la plus utile, et on a précisé qu'il

n'est pas aisé de convertir, par exemple, les déplacements en vitesses.

Il est cependant parfois nécessaire de se tirer d'affaire avec les

seuls instruments disponibles même s'ils n'enregistrent que les

déplacements ou les accélérations. Comment peut-on, avec de tels

instruments, déterminer les vitesses de particules dans les ouvrages?

L'instrument le plus ordinairement utilisé pour mesurer les

déplacements est le séismographe portatif, qui réunit en un même

ensemble trois éléments pendulaires (relatifs aux trois composantes des

vibrations) ainsi que des appareils optiques et des dispositifs

d'enregistrement. Le tout constitue un objet encombrant et pesant, très

sensible au dénivellement, et qui ne peut être fixé sur-le-champ au mur

porteur d'un ouvrage. Il peut au mieux être utilisé pour déterminer les

mouvements à la surface du sol. A cause de son poids, cependant, on

doit généralement le placer sur une surface rigide telle qu'un pavage

ou sur un panneau spécial établi d'une manière ou d'une autre en

contact intime avec le sol. Les accélérations provoquant les dommages

ayant une valeur voisine de g, il est nécessaire de l'assujettir

solidement à son assise.

En supposant qu'on obtienne un enregistrement fidèle des mouvements

du sol, le problème qui reste à résoudre consiste à déterminer la

vitesse de particule. On ne peut effectuer ce travail en supposant que

la vibration est sinusoïdale, car ce n'est généralement pas le cas. La

méthode la plus efficace d'interprétation consiste à repérer sur

l'enregistrement les régions de pente maximale et à utiliser ces pentes

pour déterminer les vitesses. Ceci revient à effectuer une

différentiation graphique des parties intéressantes de l'enregistrement.

Un autre type courant d'appareil consiste en un accélérographe

portatif; il est semblable à un séismographe, mais en diffère par le

fait que les éléments mobiles ont une fréquence de résonance supérieure

à celles du domaine auquel on s'intéresse. La meilleure manière

d'opérer consiste peut-être à ne pas chercher à déterminer la vitesse

d'après les résultats obtenus (ce qui exigerait une intégration

graphique), mais simplement à utiliser les critères d'accélération

indiqués précédemment.

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Causes mineures d'endommagement par les explosions

Les flâneurs qui se trouvent sur les trottoirs au moment d'une

explosion bien préparée sont ordinairement déçus: il se produit un

léger coup sourd dû à une vibration du sol, un petit dégagement local

de poussière, et c'est tout. Les effets plus spectaculaires tels qu'un

souffle d'air ou des projections de rocs résultent en général de

techniques maladroites ou de négligences; ne serait-ce que sous l'angle

de l'efficacité des explosions, elles doivent être évitées; elles

correspondent en effet à un gaspillage de poudre.

Les projections de rocs peuvent résulter d'un bourrage ou d'un

remplissage final inappropriés, ou d'une mauvaise disposition des

charges (trop de poudre dans trop peu de trous). Des percées

imprévisibles peuvent cependant parfois se produire dans un matériau

fissuré ou hétérogène, et, dans le cas où des personnes ou de

l'équipement se trouvent dans le voisinage du bâtiment, il est prudent

d'utiliser un paillasson pare-éclats. La plupart des règlements

municipaux exigent d'ailleurs leur emploi en toutes circonstances.

Les souffles d'air se produisent lorsque l'explosif est recouvert

d'une manière inadéquate. L'emploi de l'explosif lui-même ne crée

généralement aucune difficulté si les trous qui ont été forés sont

correctement remplis. Il arrive cependant que les charges d'un ensemble

soient reliées par des cordeaux détonants qui peuvent produire de

notables souffles d'air si leurs sections superficielles ont été

laissées à l'air libre. On peut résoudre le problème en recouvrant le

matériel détonant de quelques pouces de sable ou tout autre matériau de

remplissage. Même la neige assure une bonne protection.

Le cas d'une catastrophe mis à part, les dommages causés par les

souffles d'air se limitent généralement à des bris de vitres. Les

fenêtres situées dans des murs faisant face à l'explosion sont les plus

susceptibles d'être endommagées; mais, par suite d'effets de

concentration et de réflexion, d'autres régions peuvent être affectées

s'il existe dans le voisinage un certain nombre de bâtiments. Des

études effectuées par le Bureau des mines des Etats-Unis ont montré

qu'il faut des surpressions de l'ordre de 100 livres par pied carré

pour briser des vitres du type courant. Il convient toutefois de noter

que des vibrations du sol peuvent indirectement causer des bris de

vitres dans le cas où un bâtiment à ossature flexible est fortement

secoué par une explosion. Dans ce cas les bris se produiront

probablement aux murs axés dans la direction de l'explosion.

Sources d'information

Les présentes notes sont basées sur une étude générale de la

bibliographie existante, mais plus particulièrement sur les résultats

de recherches réalisées conjointement par l'Hydro Electric Power

Commission of Ontario et le Conseil national de recherches¹.

Northwood, T. D., R. Crawford et A. T. Edwards. Vibrations dues aux

explosions et dommages aux ouvrages. The Engineer, Vol. 215, n° 5601,

31 mai 1963, pages 973-978.