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Digeste de la construction au Canada, 1967-09
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Sautages d'explosifs et dégâts aux bâtiments
Digeste de la Construction au Canada
Division des recherches en construction, Conseil national de
recherches Canada
CBD 63F
Sautages d'explosifs et dégâts aux
bâtiments
Publié à l'origine en septembre 1967 T.D. Northwood et R. Crawford
Veuillez noter
Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.
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.
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.
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 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.
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.
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.
1. 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.
* g = accélération due à la gravité 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.
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.
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 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.
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.
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.
1. 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.
