Influence du terrain dans la propagation des vibrations

Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2012–Bordeaux 4-6 juillet 2012
INFLUENCE DU TERRAIN DANS LA PROPAGATION DES
VIBRATIONS
INFLUENCE OF GROUND ON THE PROPAGATION OF VIBRATIONS
Cédric GAILLARD 1 , Thierry PANIGONI 1
1 CETU - Centre d’Études des Tunnels, Bron, France
RÉSUMÉ — Dans les travaux souterrains ainsi que dans les travaux de
terrassement, d'exploitation de carrière ou de mine, l'usage d'explosif comme moyen
d'excavation nécessite de caractériser la propagation des vibrations dans le site de
manière à préserver les structures environnantes en limitant les effets néfastes des
vibrations solidiennes. Communément, la caractérisation d'un site d'un point de vue
vibratoire passe par l'évaluation du niveau de retransmission et d'amortissement des
vibrations en fonction de la distance à la source, via l'établissement d'une loi
d'amortissement. En complément, la détermination de l'influence du terrain dans la
propagation des vibrations aide à la cartographie des zones sensibles. L'analyse
fréquentielle des signaux et la représentation de la distribution spatiale des
coefficients de site K apportent aussi des informations complémentaires pour l'étude
vibratoire d'un site. Celles-ci permettent de caractériser, dès les essais de tirs,
l'importance de la fracturation du massif rocheux et de mettre en évidence les
directions préférentielles de propagation des vibrations dans le massif. A travers un
recensement des données vibratoires recueillies sur différents sites, il apparaît que
l'appréciation de l'influence du terrain dans la propagation des vibrations permet
d'expliquer certaines disparités dans les résultats de mesures en effectuant des
corrélations avec le degré de fracturation et/ou l'altération du massif rocheux, les
contrastes morphologiques du toit du substratum et l'orientation des discontinuités
importantes.
ABSTRACT — In underground and in excavation, quarry or mine work, the use of
explosives as a means of excavation requires to characterize the propagation of
vibrations in the site in order to preserve the surrounding structures by limiting the
adverse effects of structure-borne noise. Commonly, the characterization of a site
from a vibrational point of view involves assessing the level of retransmission and
damping of the vibration considering the distance from the source through the
establishment of a damping law. In addition, determining the influence of the field on
the propagation of vibrations helps mapping sensitive areas. Frequency analysis of
signals and representation of the spatial distribution of K site coefficients also provide
additional information for the vibrational study of a site. These are used, as soon as
firing tests start, to characterize the importance of rock mass fracturing and to
highlight the preferential directions of vibration propagation in the mountain. Through
a survey of vibration data collected at different sites, it appears that the assessment
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of the influence of the field on the propagation of vibrations can explain some
discrepancies in the results of measurements by making correlations with the degree
of fracturing and / or alteration of the rock mass, the morphological contrasts of the
top of the substratum and orientation of the most important joints.
1. Introduction
Partant du constat que l'étude géologique de certains sites se réalise en partie au
moyen d'investigations géophysiques de type sismique, nous pensons qu'un
dispositif de surveillance de chantier pour le suivi des tirs à l'explosif permet aussi de
récolter des informations qui sont en lien avec le contexte géologique et par suite
confirmer ou infirmer le modèle géologique initial. L'analyse croisée de plusieurs
paramètres tels que les fréquences mesurées, le contexte géologique avec les
discontinuités présentes et la répartition spatiale des niveaux de retransmission des
vibrations, nous a permis de montrer l'influence que peut avoir le terrain dans la
propagation des vibrations.
2. Influence de l'altération et de la fracturation du terrain
La vibration en un point de mesure est caractérisée par sa vitesse particulaire (mm/s)
et par la plage de fréquence des ondes vibratoires (Hz). L'étude des fréquences
mesurées peut constituer un bon indicateur pour caractériser l'état du terrain
encaissant. La réponse fréquentielle des vibrations dépend d'une part du type de
terrain traversé : par exemple, les fréquences élevées seront mieux transmises par
une roche compacte, à vitesse sismique élevée, que par un sol meuble.
D'autre part, du point de vue de la propagation des vibrations, la structure du massif
rocheux et son état de fracturation jouent un rôle plus important que la nature
pétrographique de la roche. Ainsi, les terrains traversés sont généralement
considérés comme des milieux non continus. Un mouvement vibratoire d'une
intensité donnée génère un déplacement qui varie en fonction de la fréquence du
signal, l'amplitude du déplacement particulaire est d'autant plus faible que les
fréquences prépondérantes du signal sont hautes. En considérant, une structure
simple composée de deux compartiments séparés par une fracture, il existe toujours
une fréquence de coupure au-delà de laquelle le mouvement du compartiment excité
n'est pas transmis au compartiment au repos situé de l'autre côté de la fracture, et
cela, quelle que soit l'ouverture de la fracture. L'énergie du mouvement vibratoire se
propage dans le milieu sur la plus haute fréquence disponible du spectre du signal,
c'est-à-dire, celle permise par l'ouverture minimale des fractures du massif sur le
chemin suivi.
Par conséquent, la fréquence associée à la vitesse maximale mesurée décroît avec
la distance au point de tir. En effet, le terrain situé entre la zone de tir et la zone de
mesure constitue pour les vibrations un filtre passe-bas tel que les fréquences
élevées s'amortissent plus rapidement que les basses fréquences (figure 1).
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Figure 1 . Principe de propagation des ondes en milieu fracturé
La transformée de Fourrier (FFT) d'un signal vibratoire permet de visualiser toutes
les fréquences qui constituent le spectre de ce signal. L'analyse fréquentielle peut se
faire de la façon suivante :
La fréquence principale (Fp) : fréquence pour laquelle l'amplitude est
maximale. Elle est représentative de l'état de compacité et continuité du milieu
traversé, une augmentation de la fréquence principale souligne que le milieu
est de meilleure qualité (compacité, continuité) et inversement ;
La fréquence maximale (Fm) : fréquence la plus élevée observable sur le
spectre du signal dont la raie présente une amplitude au moins égale à 20 %
de celle de la fréquence principale. Elle est plutôt représentative de la
fracturation du milieu traversé, une diminution de la fréquence maximale
atteste que le milieu contient des discontinuités suffisamment ouvertes pour
couper le passage des fréquences plus élevées.
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Figure 2 . Transformées de Fourrier sur 2 capteurs différents lors d'un même tir
Cette méthode sommaire d'analyse fréquentielle trouve ses limites dans le nombre
de fractures traversées et dans les grandes distances entre la source et le capteur.
L'analyse fréquentielle sur les trois voies (Verticale, Transversale et Longitudinale)
des capteurs de la figure 2 montre des disparités entre le capteur C1 (Fp = 20 Hz,
Fm = 29 Hz) et le capteur C4 (Fp = 60 Hz, Fm = 113 Hz). Ces caractéristiques
fréquentielles confirment les observations géologiques effectuées, à savoir que C1
est scellé sur une partie du massif qui est plus altéré et fracturé (fréquences basses
constatées) et que C4 est scellé sur une partie du massif sain présentant des
discontinuités mais avec de faibles ouvertures ou fermées (fréquences moyennes à
hautes enregistrées).
3. Influence du contexte géologique et des discontinuités présentes
La caractérisation d'un site d'un point de vue vibratoire passe par l'évaluation du
niveau de retransmission et d'amortissement des vibrations en fonction de la
distance. Pour cela, on recherche une loi d'amortissement de la vitesse en fonction
de la distance tir-capteur pondérée par la charge unitaire instantanée (1).
(1)
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Où : V = vitesse particulaire en mm/s,
K = constante ou coefficient de site (paramètre du niveau de retransmission),
α = pente de la droite de régression dans un diagramme log-log (paramètre
d'amortissement),
D = distance tir-capteur (en m),
Q = quantité d'explosif (en g) par numéro d'amorces. En travaux souterrains, les
charges explosives sont indiquées en gramme compte tenu des quantités de
charge instantanée mises en œuvre.
Figure 3 . Loi d'amortissement
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On établit une loi d'amortissement du site (figure 3) en vue de contrôler les niveaux
vibratoires enregistrés mais aussi d'établir des évaluations de niveaux vibratoires
attendus. Cette loi revêt bien sûr un caractère statistique en raison de la multiplicité
des facteurs intervenant dans la transmission des vibrations (émission des vibrations,
propagation dans le terrain et réception au point d'auscultation). C'est pourquoi les
résultats sont présentés de la manière suivante : une loi « brute » établie à partir
d'une régression linéaire, une loi « moyenne » établie en fixant le paramètre α entre
1,2 et 2,4 (pour permettre de comparer plusieurs sites de façon objective à partir des
seules valeurs du niveau de retransmission K) et une loi « maximale » basée sur le
niveau de retransmission K le plus élevé.
Ce type de représentation permet de montrer l'évolution des vibrations en fonction
des tirs et/ou des capteurs. La figure 3 montre cela en fonction d'un zonage
géologique lié à la présence d'une faille. Les tirs n°1 à 13 ont été effectués avant la
faille, les tirs n°14 à 23 ont été réalisés lors de la traversée de la faille et les tirs n°24
à 44 ont été exécutés après le passage de la faille. Cette faille joue un rôle de
barrière et atténue les ondes vibratoires (avant la faille K max = 9,6 ; après la faille
K max = 4,2).
Pour autant, on constate que certains capteurs, situés à distance équivalente du tir et
scellés sur des récepteurs semblables, n'enregistrent pas la même vitesse
particulaire (l'écart est nettement plus élevé que la dispersion associée à un capteur
donné). Cette observation montre que la vibration ne se propage de façon homogène
dans le milieu et suit des directions préférentielles. Pour subodorer ces disparités de
propagations des ondes, nous proposons de représenter le niveau de retransmission
(K moyen), sous forme d'une rosace et d'un diagramme associé pour en faciliter la
lecture. Pour chaque capteur et chaque tir, il est établi le coefficient K moyen qui est
reporté sur le diagramme ou sur la rosace selon l'azimut calculé entre le tir et le
capteur. La distribution spatiale des coefficients K moyen montre les disparités de
retransmission entre les zones auscultées ainsi que des directions préférentielles de
propagation des vibrations correspondant, soit à une influence de la géomorphologie
des lieux, soit aux plans des discontinuités principales qui affectent le massif
rocheux.
Sur la figure 4, la rosace de distribution des coefficients K montre que la transmission
des vibrations est meilleure dans la partie nord du site que dans la partie sud. Ceci
est cohérent avec le contexte géologique du site à savoir un môle granitique proche
de la surface au nord tandis que le toit de ce substratum plonge vers le sud et sudouest.
On constate par ailleurs que certaines directions privilégiées de propagation
correspondent à des plans de discontinuités principales qui affectent le massif
rocheux à savoir :
- N335 - N350 concordant avec la famille D1, en notation AFTES N65, 73,
- N55 - N75 concordant avec la famille D3, en notation AFTES N338, 73.
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Figure 4 . Directions préférentielles de propagation des vibrations corrélables à la
carte du toit du granite sain et au stéréogramme des discontinuités
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4. Discussion et conclusion
La détermination de l'influence du terrain dans l'étude vibratoire d'un site apporte des
résultats intéressants qui peuvent étayer la délimitation des zones sensibles,
expliquer certains résultats et concourir à la réussite du pilotage du chantier.
L'analyse fréquentielle délivre des renseignements précieux quant aux
caractéristiques des terrains traversés et la distribution spatiale des coefficients de
sites K éclaire sur les directions préférentielles de propagations des vibrations.
Les principaux résultats, ressortant des sites étudiés, montrent que :
la propagation des vibrations à travers un massif fracturé dépend de la
fréquence du signal et du déplacement particulaire associé. Le signal
vibratoire en s'amortissant se retrouve soit coupé ou atténué en fréquence.
les vibrations se propagent préférentiellement dans la direction parallèle aux
plans des discontinuités (« milieu continu ») plutôt que dans leur direction
perpendiculaire (« milieu discontinu »).
L'analyse de cette influence du terrain a ses limites, bien entendu, en fonction de la
complexité des sites étudiés et du dispositif d'auscultation utilisé. Notamment, la
pertinence de la rosace des coefficients K dépend du nombre de capteurs mis en
place pour l'auscultation. C'est en effet un outil statistique qui nécessite de multiplier
les mesures pour plus de représentativité. Plus il y a de capteurs autour du tir, plus
l'information sur les directions préférentielles de propagation sera continue. Quand il
y a peu de capteurs ou s'ils sont situés tous dans une seule direction, la
représentation sous forme de rosace est à interpréter avec précaution et peut même
s'avérer inadaptée.
Par l’intermédiaire de ces outils d'analyse, les études vibratoires de site peuvent être,
à notre avis, optimisées. Nous préconisons de multiplier le nombre de capteurs pour
des essais de tirs afin de caractériser les directions de propagation. Au cours du suivi
de chantier, une optimisation du nombre de capteurs est alors possible pour adapter
l'emplacement des capteurs en fonction des directions préférentielles de manière à
ausculter les secteurs géographiques sensés être les plus sollicités par les vibrations
compte tenu des disparités principales de propagation identifiées au préalable.
Références bibliographiques
AFTES. Effets sismiques de l'explosif, Tunnel et Ouvrage Souterrains, supplément au n°177 mai-juin
1993.
Chapot P. (1981).
de recherche LPC N° 105.
par les explosifs dans les massifs rocheux, Rapport
De Sloovere P.. Sismique fréquentielle une méthode pour la recherche des anomalies et le contrôle
des améliorations de sols, Projet Eole Paris.
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