liquefaction des sols

LIQUÉFACTIONLIQUÉFACTION SISMIQUE DES SOLSSISMIQUE DES SOLS

Université de Blida Ali BouafiaUniversité de Blida Ali Bouafia

LIQUÉFACTIONLIQUÉFACTION SISMIQUE DES SOLSSISMIQUE DES SOLS

• MECANISMES DE DECLENCHEMENT D’UNE LIQUEFACTIONMECANISMES DE DECLENCHEMENT D’UNE LIQUEFACTIONC S S C C U QU C OC S S C C U QU C O

•• SUSCEPTIBILITE DES SOLS A LA LIQUEFACTIONSUSCEPTIBILITE DES SOLS A LA LIQUEFACTION

•• ASPECTS DE LA LIQUEFACTIONASPECTS DE LA LIQUEFACTION

•• METHODES D’ANALYSE DU POTENTIEL DE LIQUEFACTIONMETHODES D’ANALYSE DU POTENTIEL DE LIQUEFACTION•• METHODES D’ANALYSE DU POTENTIEL DE LIQUEFACTIONMETHODES D’ANALYSE DU POTENTIEL DE LIQUEFACTION

1

1.1. Mécanismes de déclenchement d’une Mécanismes de déclenchement d’une Université de Blida Ali Bouafia

liquéfaction sismiqueliquéfaction sismique

Enseignements des essais de laboratoireEnseignements des essais de laboratoire

L’é d d i é i i i l d l l é l è l f• L’état de densité initiale des sols pulvérulents est un paramètre clef

• Essais triaxiaux monotones sur des échantillons sableux saturéssableux saturésEssais triaxiaux monotones sur des échantillons sableux saturés sableux saturés à différentes densités:

Les essais ont mené à d’importants résultats.

2

Schéma typique de l’essai de compression triaxiale

Université de Blida Ali Bouafia

σ1

σ3σ3

1 : verticalenDéformatioε

30321 V

Vv

∆=++= εεεε

Principaux résultatsPrincipaux résultats (Essais drainés) (Essais drainés) Université de Blida Ali Bouafia

Le matériau sableux initialement lâcheest caractérisé par une courbe monotone tendant vers une asymptote horizontale caractérisant les grands déplacements.

La courbe de chargement d’un matériau très dense est caractérisée par un pic de résistance suivi d’une asymptote horizontale.

quelle que soit la densité initiale du é i bl l d é imatériau sableux, la rupture du matériau

sous charges statiques monotones se manifeste au même niveau de déviateur de contraintes.

4

Principaux résultats (essais drainés)Principaux résultats (essais drainés)Université de Blida Ali Bouafia

• Un matériau initialement lâche a tendance à se contracter (diminution de volume sous des contraintes de cisaillement induites par la sollicitation triaxiale)sous des contraintes de cisaillement induites par la sollicitation triaxiale). Interprétation : Enchevêtrement des grains Contact Contact intergranulaireintergranulaire stable,stable,

• Un matériau initialement densea plutôt tendance à se dilater(augmentation de volume), ce qui est dû à un désenchevêtrement des grains et donc à un contactcontact intergranulaireintergranulaire instableinstable.donc à un contact contact intergranulaireintergranulaire instableinstable.

• La rupture se manifeste à volume constantquelle que soit la densité initiale.

5

Principaux résultats (essais non drainés)Principaux résultats (essais non drainés)


p ( )p ( )

• Le volume de l’échantillon est pratiquement constant et la déformation volumique ε ,constant et la déformation volumique εv, traduisant la variation relative du volume,est nulle,

• En contrepartie, une surpression interstitielle ∆u est générée, ce qui se traduit par une chute des contraintestraduit par une chute des contraintes effectives.

6


Comportement du sable initialement lâche ou dense en conditions drainée et non drainée, selon Casagrande

7

Notion de liquéfactionNotion de liquéfactionUniversité de Blida Ali Bouafia

La liquéfaction sismique liquéfaction sismique correspond à un chargement cyclique chargement cyclique alternéalterné tellement rapide que l’eau interstitielle n’a pas la possibilité p q p pde se drainer. Il s’agit en fait d’une sollicitation non drainée sansd’une sollicitation non drainée sansvariation de volumevariation de volume, ce qui se traduit en contrepartie par

é éé éune génération des pressions interstitiellesune génération des pressions interstitielles. Massif pulvérulent lâche: la tendance à la contractance est

compensée par une augmentation des pressions interstitiellesaugmentation des pressions interstitiellescompensée par une augmentation des pressions interstitiellesaugmentation des pressions interstitielles, au détriment d’une diminution des contraintes effectivesdiminution des contraintes effectives.

La résistance au cisaillement τl d’un sol pulvérulent est l pformulée selon le critère de Mohr‐Coulomb par :

( ) ’ ’ ’τl = (σ‐u)tgϕ’= σ’tgϕ’

Au fil des cycles le cumul de pression interstitielle se traduit par

8

Au fil des cycles, le cumul de pression interstitielle se traduit par une diminution de la résistance au cisaillement,

A è b i i N d l l i ff i


Après un nombre critique Nl de cycles, la contrainte effective s’annule et la résistance au cisaillement s’annule aussi,amorçant un comportement équivalent à celui d’un liquideamorçant un comportement équivalent à celui d un liquide, ne résistant pas aux contraintes de cisaillement :

0'0' →=→ ϕστσ tglv

9

Schématisation simplifiée de la liquéfactionSchématisation simplifiée de la liquéfactionUniversité de Blida Ali Bouafia

(a): Empilement de sphères identiques, saturé d’eau, sous forme d’un assemblage ( ) p p q , , gcubique correspondant à la densité minimale.Le contact intergranulaire contribue à la résistance au cisaillement et donc à la capacité de supporter des surcharges verticales en surface (capacité portante).

(b) : Lors d’une sollicitation sismique, les vibrations transmises se traduisent par une perte de contact intergranulaire, ce qui implique une perte de la résistanceau cisaillement et un transfert des surcharges préalablement reprises par le forces au cisaillement et un transfert des surcharges, préalablement reprises par le forces intergranulaires, à l’eau, et l’empilement se comporte comme un liquide.

(c) : Après stabilisation du phénomène, le contact intergranulaire est établi,

10

( ) p p , g ,suite à l’expulsion de l’eau, ce qui se traduit par un tassement en surface de l’empilement.

E d’ l é lE d’ l é l


En cas d’un sol réel….En cas d’un sol réel….

Le comportement réel est beaucoup plus complexe, avec :

- un assemblage irrégulier,

l é i if d i l- une granulométrie non uniforme des particules,

- des contacts intergranulaires qui ne se perdent pas simultanément.

11


Liquéfaction artificielle causée par impact d’un sol sableux de faible densitéLiquéfaction artificielle causée par impact d’un sol sableux de faible densité

12

Liquéfaction artificielle causée par impact d un sol sableux de faible densitéLiquéfaction artificielle causée par impact d un sol sableux de faible densité(Séquence vidéo)(Séquence vidéo)


13

Liquéfaction artificielle causée par impact d’un sol sableux très denseLiquéfaction artificielle causée par impact d’un sol sableux très dense(Séquence vidéo)(Séquence vidéo)


14

Liquéfaction artificielle causée par vibration d’un sol sableux de faible densitéLiquéfaction artificielle causée par vibration d’un sol sableux de faible densité(Séquence vidéo)(Séquence vidéo)

22. SUSCEPTIBILITE DES SOLS A LA LIQUEFACTION. SUSCEPTIBILITE DES SOLS A LA LIQUEFACTIONUniversité de Blida Ali Bouafia

Les sols susceptibles à la liquéfaction sismique liquéfaction sismique sont en général de nature pulvérulentepulvérulente (sable, gravier, sable limoneux, sable argileux, etc) de faible densité faible densité et complètement saturéscomplètement saturés. Outre cette définition générale, on dispose de critères empiriques d’identification

d l li éfi bl d t l i i tdes sols liquéfiables dont les principaux sont :

l’origine et l’âge géologique du site,

la teneur en particules fines,

l’indice de plasticité de la partie fine du sol,

la saturation par l’eau interstitielle, p ,

la profondeur du matériau,

15

la résistance à la pénétration.

Origine et l’âge géologique du siteOrigine et l’âge géologique du site


Origine et l âge géologique du siteOrigine et l âge géologique du site

Le risque de liquéfaction diminue lorsque l’âge de dépôt du solLe risque de liquéfaction diminue lorsque l âge de dépôt du sol pulvérulent augmente. Les dépôts issus du pré‐pléistocène ou du pléistocène ne sont en général pas liquéfiables.Ce sont les dépôts récents, âgés de moins de 5 siècles, qui sont les

plus prédisposés à la liquéfaction, tous matériaux étant confondus.

16

Tableau 9.1. Susceptibilité des dépôts sédimentaires à la liquéfaction (TG : très grande, G : grande, M : moyenne, F : faible, TF : très faible)


Type deDépôt

Probabilité de liquéfaction sismique du dépôtsédimentaire pulvérulent saturé

Age géologique <500 ans Holocène Pléistocène Pré-Pléistocène

Dépôts continentaux

Canal de rivière TG G F TF

Plaine d’inondation G M F TF

Delta G M F TF

Dépôt lacustre G M F TF

Colluvion G M F TF

Dunes G M F TF

Loess G G G Inconnue

Tuff F F TF TF

Sols résiduels F F TF TF

Sebkha G M F TF

Zone côtière

Delta TG G F TF

Estuaire G M F TF

Plage à hauteénergie de vagues

M F TF TF

l à f ibl GPlage à faibleénergie de vagues

G M F TF

Dépôts artificiels

Remblai noncompacté

TG ---- ---- ----

17

compacté

Remblai compacté F ---- ---- ----

La teneur en particules fines, FC (%)La teneur en particules fines, FC (%)


p , ( )p , ( )

Teneur en particules fines (Fines Content) FC (%)= la teneur enTeneur en particules fines (Fines Content) FC (%)= la teneur en grains ayant une taille inférieure à 74‐80 µm.

Par expérience des séismes antérieurs, le risque de liquéfaction diminue avec FC (%), avec un seuil de 35% au‐delà duquel, la liquéfaction ne se manifeste pas.

18

Indice de plasticité de la partie fine du solIndice de plasticité de la partie fine du solUniversité de Blida Ali Bouafia

Le risque de liquéfaction diminue avec l’indice de plasticité Ip. En général, les sols non liquéfiables ont simultanément :

éune limite de liquidité ωl plus grande que 35%, une teneur en eau ω plus petite que 0.9 fois la limite de liquidité, un diamètre D inférieur à 5 µmun diamètre D15 inférieur à 5 µm.Ces trois critères sont souvent appelés critères chinois de non critères chinois de non

Liquéfaction Liquéfaction .qqOutre les critères chinois applicables aux sols fins, le règlement

parasismique français PS‐92 considère un sol constitué des sables, des sables, sables vasards, ou de limonssables vasards, ou de limons, comme prédisposé à la liquéfaction s’il est :

saturésaturé, ayant un coefficient d’uniformité CU inférieur à 15, ayant un diamètre efficace D50 entre 0.05 et 1.50 mm,

19

y 50 ,soumis à une contrainte effective en présence de l’ouvrage inférieure à 200‐300 kPa selon la zone sismique.

Le degré de saturation du solLe degré de saturation du sol


Le degré de saturation du sol Le degré de saturation du sol

L’expérience montre qu’un degré de saturation Sr minimal de 80‐85% présente une condition nécessaire à la liquéfaction.

20

La profondeur de la couche du solLa profondeur de la couche du sol


La profondeur de la couche du solLa profondeur de la couche du sol

Le constat des cas de rupture de sols de fondations par liquéfactionLe constat des cas de rupture de sols de fondations par liquéfaction a montré que la liquéfaction profonde, c'est‐à‐dire se manifestant à à plus de plus de 15 15 à à 20 20 mm, n’altère pas la capacité portante du sol à proximité pp , p p p pde la surface.

21

La résistance du sol à la pénétrationLa résistance du sol à la pénétrationUniversité de Blida Ali Bouafia

Le risque de liquéfaction diminue avec la résistance à la pénétration du sol. Cette dernière est en pratique quantifiée parl’essai de pénétration statique CPT, donnant la résistance en pointe pénétrométrique qc, ou l’essai de pénétration standard SPT, d t l b d N é i à l’ f t ddonnant le nombre de coups Nspt nécessaires à l’enfoncement du carottier de 30 cm.Selon Seed et Idriss (1982), le seuil du nombre de coupsSelon Seed et Idriss (1982), le seuil du nombre de coups

normalisé (Nspt1)60 au‐delà duquel la liquéfaction n’a pas été

observée est de 22. Mercusson et al (1990) ont suggéré un seuil de 30 coups pour

(Nspt1)60 , alors que l’expérience chinoise tend plutôt vers une valeur il d 40seuil de 40 coups.

Selon Shibata et Tiparaska (1988), la valeur seuil de la résistance pénétrométrique normalisée, soit (qc)1, au‐delà de laquelle la

22

pénétrométrique normalisée, soit (qc)1, au delà de laquelle la liquéfaction ne se déclenche pas est de 15 MPa.

Si au moins troisau moins trois de ces critères d’identificationcritères d’identification montrent que la


Si au moins trois au moins trois de ces critères d identificationcritères d identification montrent que la liquéfaction est faiblement probable, ceci dispense de mener une analyse du potentiel de liquéfaction.y p q

23

33. ASPECTS DE LA LIQUÉFACTION SISMIQUE. ASPECTS DE LA LIQUÉFACTION SISMIQUEUniversité de Blida Ali Bouafia

La liquéfaction se manifeste selon plusieurs aspects, dont les plus constatés sont:

Perte de capacité portante du sol de fondation,

Glissement des terrains en pente,

Ruptures superficielles sous forme de fissures, ou étalement latéral,

Développement des forces de poussées,

24

Soulèvement des ouvrages enterrés et rupture des canalisations,


Formation de cratères ou «volcans de sable»,

ff ff d f d lAffaissement ou effondrement en surface du sol.

25

Perte de capacité portante du sol de fondationPerte de capacité portante du sol de fondationUniversité de Blida Ali Bouafia

La perte de capacité portante a pour conséquence l’instabilité de l’ouvragede l ouvrage

Basculement d’un bâtiment de 5 niveaux dû à la liquéfaction au séisme de Nii t (1964) L t t if t l’ t i ité d h t d

26

Niigata (1964). Le tassement excessif et l’excentricité du chargement due à la présence d’un appartement sur la terrasse du bâtiment ont contribué au renversement de l’ouvrage.

Glissement des terrains en penteGlissement des terrains en pente

Outre le mouvement de la couche liquéfiée perturbant l’équilibre initial du massif


Outre le mouvement de la couche liquéfiée perturbant l équilibre initial du massif formant le talus, la génération rapide des pressions interstitielles et la chute de résistance au cisaillement réduit considérablement les moments stabilisants. L ffi i t d é ité é t idé bl t éd itLe coefficient de sécurité sera par conséquent considérablement réduit.

27Glissement par liquéfaction du corps d’un remblai au séisme de Tokashi-Oki, Japon (2003).

Ruptures superficielles sous forme de fissures (ou étalement latéral) Ruptures superficielles sous forme de fissures (ou étalement latéral) Université de Blida Ali Bouafia

La liquéfaction d’une couche impose un mouvement en grands déplacements aux couches sus-jacentes, ce qui se traduit par des grandes fissures et des ruptures superficielles de la surface.g p p

(a) Effondrement du pont de Showa fondé sur des puits, suite à des grands (a) (b)

déplacements latéraux de ces derniers, dus à la liquéfaction du sol de fondation lors du séisme de Niigata (1964).(b) Lors du séisme de Caucete (Argentine) qui s’est déclenché le 23 Novembre 1977,

28

(magnitude de 7.4), la liquéfaction a touché une zone de quelques milliers de kilomètres carrés, et s’est manifestée par des fissures en surface du sol, atteignant des fois 1 m de large et 2 m de profondeur.

Ruptures superficielles sous forme de fissures (ou étalement latéral) Ruptures superficielles sous forme de fissures (ou étalement latéral) Université de Blida Ali Bouafia

Suite au séisme du 21 mai 2003 à Zemmouri (Boumerdès), les terres meubles saturées ont manifesté une chute considérable de la résistance au cisaillement, ce qui s’est traduit, par des

29

q pruptures superficielles et une innondation de la surface par l’eau. Le terrain fait partie des abords de oued Isser, à 10 km environ de Boumerdès.

Développement des forces de poussées Développement des forces de poussées Université de Blida Ali Bouafia

Le mouvement de la couche liquéfiée se traduit part un excès de forces de poussée sur la surface de contact sol/mur, ce qui induit au p / , qrenversement ou au glissement du mur.

Lors du séisme de Kobé (1995), un mur de quai le long du canal a subi un

30

renversement, suite à la liquéfaction du matériau du remblai (sable lâche à moyennement dense) qui a augmenté les pressions des terres sur le parement du mur.

Soulèvement des ouvrages enterrés et rupture des canalisationsSoulèvement des ouvrages enterrés et rupture des canalisations


Conformément à la loi d’Archimède de flottaison des corps dans lesliquides les structures ayant un poids volumique plus petit que celuiliquides, les structures ayant un poids volumique plus petit que celui du sol liquéfié émergent de la surface de ce sol, ce qui peut être le cas de structures légères enterrées.

( ) (b)

(a) Soulèvement d’un regard de 1.80 m suite à la liquéfaction, au séisme de Tokashi Oki Japon (2003)

(a) (b)

31

de Tokashi-Oki, Japon (2003) (b) Rupture des canalisations enterrées au séisme de Nihonkai-Chubu, Japon (1983)

Formation des cratères ou «Formation des cratères ou «volcans de sablevolcans de sable»»


Suite à la génération de fortes surpressions interstitielles, le sableliquéfié remonte en surface en créant des cratères, ce qui est un q , qphénomène typique à la liquéfaction des couches superficielles.

(a)

(a) Cratère de sable liquéfié à la plage de Corso lors du séisme de Zemmouri

32

(a) Cratère de sable liquéfié à la plage de Corso, lors du séisme de Zemmouri, Boumerdès, 2003.

Formation des cratères ou «Formation des cratères ou «volcans de sablevolcans de sable»»Université de Blida Ali Bouafia

(b)

(c) (d)

(b): Lors du séisme de Caucete (Argentine) qui s’est déclenché le 23 Novembre 1977, la liquéfaction a touché une zone ayant une surface de quelques milliers de kilomètres carrés, et s’est manifestée par des remontées des coulées du sable liquéfié à travers des planchers

( ) ( )

et s est manifestée par des remontées des coulées du sable liquéfié à travers des planchers de rez‐de‐chaussée en béton armé.( c): Formation d’une rangée de cratères de sable durant le séisme de Niigata le 16 juin 1964. (d): Fissures superficielles et remontée du sable en surface durant le séisme de Kocaeili

33

(d): Fissures superficielles et remontée du sable en surface durant le séisme de Kocaeili (Turquie) le 17 Août 1999.

Affaissement ou effondrement en surface du solAffaissement ou effondrement en surface du solUniversité de Blida Ali Bouafia

Suite au mouvement de l’eau interstitielle sous de forts gradients de pressions d’une part, et à la dégradation des propriétés mécaniquesdu sol d’autre part un affaissement se manifeste en surface avec desdu sol d’autre part, un affaissement se manifeste en surface, avec des fois des amplitudes exceptionnelles de l’ordre de 1 m.

Afaissement général de 50 cm du sol dû à liquéfaction, sans des désordres structurelssubis par l’ouvrage, fondé d’ailleurs sur des pieux ancrés dans un substratum,

34

et traversant des couches de sable lâche saturé. Il s’agit d’un exemple montrant que laliquéfaction peut avoir un effet limité sur la structure si un système convenable de fondations est conçu.


Outre ces aspects courants, la liquéfaction peut subir aux ouvrages d dé d di l i i ldes désordres divers plus ou moins importants, tels que:

la rupture des corps de digues et de barragesla rupture des corps de digues et de barrages,

l’effondrement du corps de chaussée,

le renversement des ouvrages élancés, suite au tassement diffé i ldifférentiel.

35

44. MÉTHODES D’ANALYSE DU POTENTIEL . MÉTHODES D’ANALYSE DU POTENTIEL ÉÉ


DE LIQUÉFACTIONDE LIQUÉFACTION

Voir cours de Dynamique des Sols ! Voir cours de Dynamique des Sols !

10

La liquéfaction? La liquéfaction? ’ t i ?’ t i ?


c’est quoi ça ? c’est quoi ça ? Je préfère plutôt le piqueJe préfère plutôt le pique--nique nique

!!!!!!!!

37

liquefaction des sols

Documents