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Wikigeotech:Liquéfaction des sols sous séismes

De Wikigeotech

Définitions

L'Eurocode 8 partie 5 (NF-EN 1998-5) définit la liquéfaction de la façon suivante :

"La diminution de la résistance au cisaillement et/ou de rigidité due à l'augmentation, durant le mouvement sismique, de la pression d'eau interstitielle dans les matériaux saturés sans cohésion, susceptibles de produir des déformations significatives, voire une quasi-annulation de la contrainte effective dans le sol [...]".

Liquéfaction du port de Kobe (1995)
La liquéfaction d'un sol saturé et sans cohésion sous l'effet d'un mouvement sismique se traduit par une diminution de la rigidité du sol et de sa résistance en relation avec l'accumulation de la pression interstitielle et la réduction consécutive des contraintes effectives. Ces pertes de rigidité et de résistance sont susceptibles de produire des déformations permanentes significatives, voire une quasi-annulation de la contrainte effective dans le sol.

Le terme de liquéfaction est donc utilisé pour décrire des phénomènes dans lesquels la génération de la pression interstitielle en excès amène au radoucissement et/ou à l'affaiblissement significatif de la résistance du sol (Kramer et Elgamal, 2001). L'accroissement des pressions interstitielles dans le massif de sol peut résulter aussi bien de l'application de contraintes statiques ou cycliques, de chocs ou de transferts d'eau entre les couches. Le terme de liquéfaction recouvre plusieurs phénomènes physiques différents tels que l'écoulement par liquéfaction (flow liquefaction) et la mobilité cyclique (cyclic mobility), qui sont définis ci-dessous.

L'écoulement par liquéfaction est un phénomène qui apparaît quand la liquéfaction est initiée dans un sol dont la résistance résiduelle est plus petite que la résistance nécessaire pour assurer l'équilibre statique du milieu (les contraintes motrices sont en excès par rapport à la résistance résiduelle). Ce type de rupture ne se produit que dans les sols lâches de faible résistance résiduelle. Il est la conséquence d'une instabilité, qui une fois déclenchée provoque ce mouvement. Il peut conduire à des déformations extrêmement grandes (glissement de type écoulement). Toutefois, ces déformations sont effectivement entraînées par les contraintes de cisaillement statique encore présentes. Les cas d'écoulements par liquéfaction sont relativement rares en pratique, mais ils peuvent être la cause d'immenses dégâts.

La mobilité cyclique est un phénomène pendant lequel les contraintes de cisaillement cyclique produisent des pressions interstitielles dans un sol dont la résistance résiduelle est plus grande que celle qui est nécessaire pour assurer l'équilibre statique du milieu. Ce mécanisme se manifeste souvent in-situ sous la forme de déplacement latéral (lateral spreading), processus d'accumulation de déplacements permanents sous l'effet des contraintes statiques pendant la durée d'un séisme. Ces déformations peuvent advenir aussi bien dans des sols relativement denses que des sols lâches avec des amplitudes plus ou moins prononcées.

Les divergences de vue sur la définition de la liquéfaction des sols proviennent des différentes approches envisagées, selon que l'on privilégie les sites (et les ouvrages) ou les actions ou les aspects comportementaux des sols sableux en termes de description par les essais de laboratoire ou en termes de modélisation. Les définitions ci-dessus séparent les effets du mouvement au sein du massif de sol, d'une part, du mécanisme qui l'anime, d'autre part. Mais il est souvent difficile, voire impossible, de faire la différence sur le terrain dans bien des cas. Notons que le terme de résistance résiduelle paraît mal approprié aux sables si l'on se réfère au cisaillement ultime des argiles. Mais c'est l'usage.

Pour finir, il convient de distinguer la notion de susceptibilité à la liquéfaction et celle de potentiel de liquéfaction. Selon Youd et Perkins (1978), la susceptibilité d'un sol à la liquéfaction représente l'incapacité du sol à résister à des contraintes de cisaillement cycliques. Elle ne dépend que des propriétés du sol : propriétés des particules, structure du sol (texture), indice des vides, conditions initiales. Au contraire, le potentiel de liquéfaction d'un (massif de) sol concerne le risque de liquéfaction du (massif de) sol dans des conditions sismiques données. Le potentiel de liquéfaction dépend des sollicitations sismiques en tant que chargement extérieur et de la susceptibilité du sol à la liquéfaction en tant que comportement.

En résumé, le terme de "liquéfaction" est utilisé pour définir la rupture des sols sableux saturés effondrables sous l'action d'un séisme ou d'un chargement statique. Le terme de mobilité cyclique s'adresse à un mécanisme de rupture momentanée du sol sous chargement cyclique qui produit une accumulation des déformations pendant le temps du séisme. Dans les sites légèrement en pente, ce mécanisme se manifeste par des déplacements latéraux (lateral spread).

Références

  • Kramer S.L., Elgamal A.W. (2001), Modelisation soil liquefactioon hazards for performance-based earthquake engineering. PEER Report 2001/13 (Pacific Earthquake Engineering Research Center), University of California, Berkeley, 165 p.
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