Download - Liquéfaction Des Sols Et Traitement
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Dynamique, sismes, traitement des sols en zone sismique, reconnaissance des sols, diminution du
risque de liqufaction.CFMS/AFPS
Paris 05 mai 2004
IdentificationsIdentificationsdes sitesdes sitespour des projetspour des projetsdouvrages en terredouvrages en terre
JF SerratriceCETE Mditerrane
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Identification de sites pourIdentification de sites pourdes projets douvrages en terredes projets douvrages en terre
Sommaire
z Exemples de mcanismes de ruinepour des ouvrages en terre
z La liqufaction z Reconnaissance des sitesz Application aux ouvrages en terre
renforcements des solslments de conception
z Conclusions
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Exemples de mcanismes de ruineExemples de mcanismes de ruineMassifs Ouvrages en terre Ouvrages
z Btiments Ruptures de fondationsz Massifs pandage latralz Pentes Glissements de terrainz Ouvrages en terre Remblais, digues, barragesz Ouvrages enterrs Canalisations, buses, pipesz Soutnements Quais, murs, paroisz Ouvrages dart Cules, fondations,
fondations profondes
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Izmit, 1999
Exemples de rupture
de fondations
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Rupture de fondation
couche liqufie
Quand un sol se liqufie, sa rsistance au cisaillement diminue et peut sannuler, ce qui se traduit par une chute drastique de sa capacit portante et la mise mal des structures quil supporte (tassements,basculements).
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pandage latralLa liqufaction se produit dans des sols sableux saturs (valles alluviales, deltas, rives de fleuves et de lacs, bords de mer).
pandage latral : la liqufaction en profondeur provoque lentranement et la rupture des couches superficielles.
couche liqufie
Faibles pentes, sinon oscillations.
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Alaska, 1964Guatemala, 1976
pandagelatral
Ces ruptures ont tinities par la liqufaction de lentilles de sables au sein des massifs.
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Olympia, 2001
pandagelatral
Ruptures de berges.
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Glissement de terrainGnration de
pressions interstitiellesPerte de rsistance
et effet gravitaire.
couche liqufie
Yualin, 1999
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Ouvrages en terre Remblais
Ltalement latral de la couche liqufie sous le
remblai entrane la dislocation du corps de
remblai et des dplacements latraux
opposs.
couche liqufieAlaska, 1964
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Ouvrages en terreRemblais
Taichung, 1999
Costa Rica, 1991
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Tokachi-Oki, 2003
Volcan de sable
Ouvrages en terreRemblais
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Ouvrages en terreRemblais
Bhuj, 2001
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Spitak, 1988
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Effondrement du parement amont dun barrage
San Fernando, 1971
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Bhuj, 2001
Ouvrages en terreDigues
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Ouvrages en terre Remblais
talementlatral
Remblai
Southern Peru, 2001
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Ouvrages enterrs
couche liqufie
La liqufaction produit lesoulvement des ouvragesenterrs ou leur rupture.
Northridge, 1994
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Dplacement latral de quais
La liqufaction se produit dans des sols remblays saturs (remblais hydrauliques) et provoque de fortes pousses sur les ouvrages de soutnement.
Kobe, 1995
couche liqufie
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Dplacement latral de quais
Kobe, 1995
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Actions sur les ouvrages dart
couche liqufie
effortsdplacements
????
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Destruction douvrages
Costa Rica, 1991
Izmit, 1999
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Destruction dunouvrage
Niigata, 1964
La liqufaction provoque de grands dplacements dans le massif de sol et produit des interactions fortes sur les fondations.
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Expressionde la liqufaction
Taichung, 1999
La liqufaction affecte le massif de sol et se traduit par de profonds dsordres en surface.
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La liqufaction des solsUn sol sableux satur peut se trouver dans diffrentes tats de compacit :
tatdense tat
lche
Un cisaillement produit des effets diffrents :
dilatanceVolume Volume
contractanceeffondrement
Pression interstitiellePression interstitielleSi la pression interstitielle augmente jusqu compenser les chargements extrieurs, les contraintes inter granulaires sannulent et le milieu devient liquide.Do la perte de rsistance au cisaillement
et lapparition de la liqufaction.
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La liqufaction des sols
dformation ( )
d
v
i
a
t
e
u
r
(
k
P
a
)
coulement par liqufaction
Rsistancersiduelle
Mobilit cyclique
Liqufaction statiquetatinitial
Si les charges statiques sont plus grandes que la rsistance rsiduelle, il y a coulement (initiation cyclique ou statique). Sinon, il y a mobilit cyclique.
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La liqufactiondes sols
Le terme de liqufaction est utilis en pratique pour dcrire diffrents phnomnes, dont les effets sont similaires, ce qui les rend difficiles distinguer. Les mcanismes quils produisent sont classs en deux catgories principales :
z coulement par liqufaction,
z mobilit cyclique.
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couche liqufie
Expressionde la liqufaction
volcan de sable
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Taichung, 1991
Expressionde la liqufaction
Dplacement relatifdu sol et de louvrage.
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Comment valuer la susceptibilit dun site la liqufaction ?
z Critres historiques : Observations tires des sismes rcents.
Un sol liqufi par le pass peut se liqufier nouveau.z Critres gologiques :
Nature du sol.Formation du sol (dpt marin, alluvial, olien, etc.).
z Critres gotechniques :Type de sol (sables, silt, argile, etc.), granulomtrie,tat initial, densit, saturation, rsistance, etc.
Reconnaissances gotechniquessuivant limportance de louvrage et lavancement du projet
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Reconnaissance des sitesDeux familles de mthodologies complmentaires :
Prlvements et essais de laboratoire.Essais en place :
SPT CPT Pizocne Pressiomtre
Identifications
Essais mcaniques
Sols exempts du risque de liqufaction Sols suspects
Sol liqufiable
Deux niveaux dinvestigation :
Sol non liqufiable
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valuation du potentiel de liqufaction
C
S
R
(
C
R
R
)
N ou qc
Des classifications ont t tablies daprs lanalyse des sismes passs, quand il a t possible dvaluer la fois la sollicitation sismique et les caractristiques des sols liqufis.
z des proprits physique des sols (granulomtrie, densit, etc.),
z des rsistances mcaniques.
Ces caractristiques comptent :z des proprits physique des sols
(granulomtrie, densit, etc.),z des rsistances mcaniques.
Ces caractristiques comptent :
Le potentiel de liqufaction est valuen comparant la sollicitation sismique et la rsistance la liqufaction du sol.
Les proprits physiques des sols permettent de reprer les sols suspects du risque de liqufaction ou ceux qui en sont exempts.
liqufaction observeliqufaction non observe
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Fuseau granulomtriquedes sols liqufiables
Loma Prieta, 1989
0
20
40
60
80
100
0,001 0,01 0,1 1 10 100
dimension des grains (mm)
p
a
s
s
a
n
t
(
%
)
silt sable graviers Limites infrieures et suprieures
pour la liqufaction
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Identification des sols liqufiablesEssais sols sableux teneur en eau, densit, saturationde analyses granulomtriqueslabo : densits min et max
sols argileux teneur en eau, densit, saturationlimites de consistance
Sols considrs a priori comme suspects de liqufaction :a) les sables et les silts prsentant les caractristiques suivantes :
sol saturgranulomtrie uniforme telle que Cu = d60/d10 < 15
diamtre 50 % tel que 50 < d50 < 1500 mtat de contrainte ltat final du projet v < 200 kPa (zone Ia Ib)
b) les sols argileux prsentant les caractristiques suivantes :sol satur
diamtre 15 % tel que d15 > 5 mlimite de liquidit wL < 35teneur en eau w > 0,9 wL
Sols considrs comme exempts du risque de liqufaction :sols sableux diamtre 10 % tel que d10 > 2 mmsols argileux diamtre 70 % tel que d70 < 74 m
et indice de plasticit Ip < 10
N
o
r
m
e
N
F
P
0
6
-
0
1
3
-
Donnes sismiques utiliser pour la conduite des essaisNorme NF P 06-013 classe douvragezone de
sismicit A B C D0Ia 1,0 1,5 2,0
2,0
3,04,0
Ib 1,5 2,5
II 2,5 3,5III 3,5 4,5
type de solclassede solroche sainerocher
sols moyennementcompacts
rsistancemoyenneb
sols granulaires lchesargiles molles vases
rsistancefaiblec
sols granulaires compactsargiles raides
bonnersistancea
nzone desismicit
10II20III
5Ia Ib
aNSite type de sol
profondeuramax (m/s2)site
0,9 aNS20,8 aNS3
aNS1classification du site
So, S1, S2, S3 amax et na(z)acclration maximale de surfacenombre de cycles quivalentscontrainte de cisaillement cyclique engendre par le sisme
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DYNTTSUnit triaxiale
cyclique asservie
Labo Sols Roches RhologieCETE Mditerrane
Dynamic Triaxial Testing System
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Essais triaxiaux cycliquesSols tests dansleur tat naturel
Avant essaiEn fin dessai
Rupture en extension
Sinon, prparationpar pluviation
prouvettes de 76 mm de diamtre
-
-50
-25
0
25
50
0 50 100 150 200
-0,08
-0,04
0,00
0,04
0 50 100 150 200
0
25
50
75
100
0 50 100 150 200
d
v
i
a
t
e
u
r
(
k
P
a
)
temps (s)
d
f
o
r
m
a
t
i
o
n
a
x
i
a
l
e
(
)
p
i
n
t
e
r
s
t
i
t
i
e
l
l
e
(
k
P
a
)
Essai deliqufaction
essai triaxialau laboratoire
p = (a + 2 r ) / 3q = a - ra = h / ho
u pression interstitielle
a
rrho
dou U = r
Frjus
-
Essai triaxial de liqufaction
-50
-25
0
25
50
-10 15 40 65 90
d
v
i
a
t
e
u
r
(
k
P
a
)
pression effective moyenne (kPa)
rupture
rupture
liqufaction
point dedpartstable
Chemin des contraintes effectives
Frjus
-
Essai triaxial de liqufactionCourbe contrainte dformation
-50
-25
0
25
50
-0,08 -0,04 0,00 0,04
d
v
i
a
t
e
u
r
(
k
P
a
)
dformation axiale ( )
fort moduledYoung initial
module dYoung final quasi nul
liqufactiondgradation de la rigidit
du sol
Frjus
-
Essai triaxial de liqufaction
0
0,1
0,2
0,3
0,4
1 10 100
nombre de cycles pour atteindre la liqufaction ( )
r
a
p
p
o
r
t
S
y
=
q
/
2
p
c
(
)
Rsistance la liqufaction en fonction du nombre de cycles
sable
silt
Frjus
l(n)contrainte de cisaillement de liqufaction (rsistance cyclique)
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Dtermination du risque de liqufaction
l
a
(
k
P
a
)
nombre de cycles ( )
sol liqufiable
sol non liqufiable
Fs = l / acoefficient de scurit
la liqufaction
ne
la
2 < Fs a < 0,5 l pas de liqufaction0,5 l < a < 0,67 0,75 l0,67 0,75 l < a < l
l < a
1,33 1,5 < Fs < 2 liqufaction peu probable
1 < Fs < 1,33 1,5 liqufaction probable
Fs < 1 liqufaction quasi certaine
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Essais de cisaillement CU+u
0
250
500
0 250 500 750
contrainte moyenne effective p (kPa )
d
v
i
a
t
e
u
r
(
k
P
a
)
sable lchesable moyennement dense
= 32,8
Liqufaction statiqueSable dUzs
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Paramtres affectantla rsistance
au cisaillement cycliqueindice de densit (densit relative)ID = (emax e) / (emax emin)
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
1 10 100
nombre de cycles ( )
r
s
i
s
t
a
n
c
e
/
(
)
75 %82 %
90 % 95 %
densit degr de
saturation Sr structure
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Autres moyens dessais
table vibrante
sable lchesable dense
a
t
5 m
centrifugeuse remblai
sable lche
acclromtrescapteurs de pression interstitielle
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Autres classifications des sitesExemple de classification par combinaison : du type de sol, et de lacclration.
acclrationfaible
0 0,2 m/s2moyenne
0,2 0,4 m/s2forte
suprieure 0,4 m/s2
lche 2 3moyennement dense 2
11
dense 1 2
4
trs dense
1
1
3sol
1
classe risque1 pas de liqufaction2 liqufaction peu probable3 liqufaction probable4 liqufaction quasi certaine
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Comment rduire le risque de liqufaction ?z les btiments
z les ouvrages en terrez les ouvrages dart
z Construire ailleursz Renforcer les massifs de solz Structures rsistantes
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Renforcement des sols Mthodes
Compactage dynamique
InjectionsJet groutingColonnes ballastes
PieuxDrainagesVibro-flottation
z densifier le sol,z augmenter sa rsistance,z le confiner,z le drainer.
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Renforcement des sols
Les performances des mthodes adoptes pour lutter contre les effets de la liqufaction dpendent :
z du type de renforcement et de son adquation avec le site et le projet,
z des dimensions des zones renforces,z de leur position.
Plusieurs types de renforcements peuvent tre envisags sur un mme site.
Il faut considrer louvrage et les zones renforces du massif comme un seul ensemble.
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Renforcement des remblais Quelques solutions
Remblai lger
gotextiles inclusions
gotextiles inclusions
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Renforcement des sols Quelques solutionsadoucir les pentes confiner le terrain
1/2
inclusions
traitementinclusions, jet
compactagedynamique
traitement du soltraitement du sol
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Ouvrages en terreQuais
sols traits
sols traitsplate-forme portes
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Ouvrage en terre Ouvrage dart
cule perchepente adoucie
mur droitailes latrales
vue en planRemblai lger
profil en long
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Fondations profondestraitement du sol parois traites
pieux renforcs massif de pieux
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Identification des mcanismes
En termes de risques sismiques, la liqufaction du sol est un ala local qui entre dans la catgorie des phnomnes induits (avec les mouvements de terrain).
La liqufaction du sol produit des mcanismes de rupture :
z talement latral, coulement,z oscillations horizontales et verticales,z perte de capacit portante et tassements.
Il sagit de mouvements forts.
Les sollicitations sexpriment en dplacement, et parfois, en acclrations.
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Niveaux de performance de louvragevis vis du risque de liqufaction
Classes de protection de louvrage :dgts rutilisation de louvrage
mineursrparables
immdiateaprs rparation
non rparables aprs reconstruction
Les performances de louvrage dpendent des dplacements et des forces qui lui sont appliqus pendant et aprs le sisme et donc des mouvements imposs ses fondations. Ces sollicitations sexpriment :
z par des critres en dplacement,z par des critres de stabilit.
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Effets et sollicitations
Les principaux effets et sollicitations sur louvrage et les sols renforcs se classent en :z migration de la pression interstitielle,z amplification du mouvement,z forces dinertie et dphasages,z pousses latrales :
oscillations,pandage latral.
z des avoisinants (prsence de constructions voisines, milieux urbains),
z du confinement du sol et ses frontires drainantes,z du comportement post liqufaction.
Mais il convient de tenir compte aussi :
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Effets et sollicitationsmigration de la pression interstitielle
couche liqufie
a
a
t
tA
B
amplification du mouvement
surface de rupture potentielle
A
Ba
t
dphasage A B forces dinertieet dphasages
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Effets et sollicitations
oscillations
pressions statiquespressions dynamiques
pandage latral
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Outils danalyse et mthodes de calcul
Analyses pseudo statique (quilibre limite)Bloc rigide, surface de rupture prdfinie,coefficient dacclration horizontale : coefficient de scurit > 1Stabilit des pentes (mthode de Sarma), remblais,murs (mthode de Mononobe Okabe modifie).
Analyses en pseudo dplacement (Newmark)Bloc rigide, surface de rupture prdfinie,Acclrogramme a(t), acclration critique acritique, sommation des dplacements pour a(t) > acritique : dplacement calcul < dplacement admissibleDigues, barrages.
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Outils danalyse et mthodes de calculAnalyses non couples
Calcul de la dformation du massif de sol (rponse sismique, calculs 1D, 2D).
Application du profil dform la structure(avec dgradation des proprits mcaniques).
Mthodes numriques.
Analyses couplesLe massif de sol, ses renforcements et la structure forment
un seul modle.Comportement du sol en contraintes effectives sous sollicitations dynamiques, gnration et migration de la pression interstitielle,dgradation de la raideur et de la rsistance du sol, etc.Mthodes numriques.
Analyses post sismeDissipation de la pression interstitielle.
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Autres questions
z Projets proximit douvrages existantsou en sites urbains
z Ouvrages anciensz Contrle de lefficience des renforcements
en cours de construction et aprs ralisation (essais in situ)
z Compatibilit des solutions techniquessous chargements statiquessous chargements dynamiquessous leffet de la liqufaction
z Rhabilitation des ouvrages et des sites aprs sisme
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Conclusions
Cet expos sadresse aux ouvrages en terre soumis des effets de la liqufaction des sols :
Remblais, digues, murs, fondations douvrages dart
Toutes les techniques pour prvoir les effets de la liqufaction ne sont pas simples et ne donnent pas des solutions exactes.
Elles font appel de nombreux facteurs dajustement et des compromis techniques.
Leur russite dpend du bon jugement des concepteurset de la qualit de la construction.
Identificationsdes sitespour des projetsdouvrages en terreSommaireMassifs Ouvrages en terre Ouvrages