Evaluation du potentiel de la liquéfaction des sols

Définition de la liquéfaction

Il semblerait que Hazen, 1920, ait été le premier a utilisé le terme de liquéfaction pour décrire et expliquer le mode de rupture du barrage Calaveras en 1918 en Californie, où 700 000 ?3 de sol constituant le pied amont du barrage ont été emportés sur une distance de 100 m sans aucune cause apparente.
Hazen a expliqué ce phénomène par une concentration de pressions induite par un mouvement ou une déformation dans le matériau. Lorsque ceci se produit rapidement, l’eau contenue entre les pores est mise sous pression. L’augmentation continue de cette pression interstitielle conduit à une diminution des forces intergranulaires dans le sol, et le matériau perd toute sa résistance lorsque la pression interstitielle devient égale à la contrainte total.
Plusieurs cas de glissements de terrains, de ruptures de barrages, de digues, de structures en terre, parmi d’autres, ont été attribués à la liquéfaction. Tous ces phénomènes, concernant le comportement non drainé des sols, présentaient en commun un développement de la pression interstitielle sous l’action d’un chargement statique ou cyclique, dans des milieux non cohérents saturés.

Quelques exemples historiques de cas de liquéfaction

La liquéfaction des sols est un problème sérieux capable de causer des dégâts souvent irréparables, tant à des ouvrages existants qu’à de nouvelles constructions, ainsi la liquéfaction peut provoquer :
Une perte de capacité portante du sol de fondation, (basculement d’immeuble) , Un glissement des terrains en pente, Des ruptures superficielles sous forme de fissures, ou étalement latéral, Un développement des forces de poussées, Un soulèvement des ouvrages enterrés et rupture des canalisations, Des ruptures des barrages (remblais hydraulique).

Facteurs influençant la liquéfaction de sols

Il y a beaucoup de facteurs qui influencent le procédé de liquéfaction pour le sol in situ. Basé sur les résultats des essais en laboratoire aussi bien que des observations de champ et des études, les facteurs les plus importants qui influençant la liquéfaction sont comme suit :
Âge et origine des sols :Les dépôts naturels d’origine alluviale et fluviale ont généralement des grains de sol en état d’emballage lâche. Ces dépôts sont jeunes, faibles et exempts de force due à la cémentation et au vieillissement.
Youd et Hoose (1977) ont déclaré qu’en règle générale, les dépôts alluviaux plus anciens que le Pléistocène tardif (10 000 à 130 000 ans) ne se liquéfieront probablement qu’en cas de fortes séismes, alors que les dépôts tardifs de l’Holocène (1 000 ans ou moins) susceptibles de se liquéfier, et les dépôts antérieurs de l’Holocène (1 000 à 10 000 ans) sont moyennement liquéfiables.
Type de sol :En ce qui concerne les types de sols les plus sensibles à la liquéfaction, Ishihara (1985) stipule que: « Le risque associé à la liquéfaction des sols lors de séismes a été connu pour être rencontrées dans les dépôts constitués de sable fin à moyen et les sables contenant de faible plasticité. Parfois, cependant, des cas sont signalés où la liquéfaction s’est apparemment produite dans les sols graveleux.  »
Ainsi, les types des sols sensibles à la liquéfaction qui ne sont pas plastiques (sans cohésion). Une liste approximative des sols sans cohésion du moins au plus résistant à la liquéfaction est les sables propre, sables limoneux non plastiques, de limon non plastique et des graviers. Il pourrait y avoir de nombreuses exceptions à cette séquence. Par exemple, Ishihara (1985, 1993) décrit le cas des résidus issus de l’industrie minière qui ont été composées essentiellement de la terre superficielle des rochers et ont été classés comme de la farine de roche. Ishihara (1985, 1993) stipule que la farine de roche dans un état saturé d’eau ne possède pas de cohésion significative et s’est comporté comme s’il s’agissait d’un sable propre.
La taille des particules :Les sols non plastiques de granulométrie uniforme ont tendance à former plus instable arrangements de particules et sont plus sensibles à la liquéfaction. Les sols bien classés auront également de petites particules qui remplissent les espaces vides entre les grosses particules. Cela tend à réduire la contraction de potentielle du sol, résultant en moins excessives pressions interstitielles générées durant le tremblement de terre. Kramer (1996) stipule que les données de terrain indiquent que la plupart des défaillances de liquéfaction ont impliqué de classement uniforme des sols granulaires.

Méthode d’amélioration des caractéristiques de résistance du sol

Ces premières méthodes consistent à améliorer, d’une part les caractéristiques du sol, et d’autre part la dissipation de l’excès de pression interstitielle dans les pores. Parmi ces méthodes, nous citons:

Densification de sol

Compactage dynamique :Cette technique est particulièrement applicable aux sols granulaires lâches a placée près de la surface au sol. Il s’agit d’un procédé qui consiste à pilonner le sol en surface avec une masse. L’énergie transmise par chaque impact pénètre dans le sol et produit une déstructuration
Cette méthode de compactage est largement utilisée, cependant elle possède certains inconvénients. En effet, d’une part elle cause des vibrations et des bruits qui influencent sur le bon comportement des structures avoisinantes, et d’autre part, le compactage des sols possédant une grande quantité de particules fines est assez difficile.
Vibro-flottation :La vibro-flottation est un procédé dans lequel un dispositif est introduit dans le terrain lâche afin de le compacter par une vibration et une saturation simultanée. Lorsque le dispositif vibre l’eau est injectée par pompage à une vitesse telle qu’elle ne peut pas être absorbée par le sol. L’action de ces vibrations va provoquer un réarrangement des grains du sol grenu, réduisant ainsi l’indice des vides et augmentant la densité relative et la compacité du sol traité.

Colonnes ballastées

Les colonnes ballastées consistent en une incorporation par compactage de matériau granulaire, dans un terrain présentant des faibles caractéristiques géotechniques. De façon générale elles améliorent les caractéristiques mécaniques des sols par augmentation de leurs capacités portantes et réduction de leurs tassements sous les charges appliquées. Les colonnes ballastées peuvent aussi jouer le rôle d’un drain et réduire les risques de liquéfaction dans les zones sismiques.

Substitution

La substitution du profil de sol par un matériau qui ne se liquéfie pas est appelée méthode de substitution. Les graviers et les sols mixés avec du ciment sont des matériaux non-liquéfiables et sont utilisés dans la réduction du risque de liquéfaction.

Technique de drainage

On peut réduire l’effet de la liquéfaction par l’amélioration du système de drainage du sol. Si l’eau interstitielle existe dans le sol peut s’écouler librement, la pression excessive d’eau interstitielle sera réduite. Les techniques de drainage incluent l’installation des drains de gravier, du sable ou des matériaux synthétiques.
Les drains synthétiques de mèche peuvent être installés à divers angles, contrairement aux drains de gravier ou de sable qui sont généralement installés verticalement. Les techniques de drainage sont souvent utilisées en combinaison avec d’autres types de techniques d’amélioration de sol pour une réduction plus pertinente du risque de liquéfaction.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I: RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE 
I.1 Introduction
I.2 Phénomène de liquéfaction des sols
1.2.1 Définition de la liquéfaction.
I.2.2 Quelques exemples historiques de cas de liquéfaction
I.2.2.1 Boumerdes, Algérie (2003)
I.2.2.2 Barrage de Fort Peck (1939)
I.2.2.3 Niigata, Japon (1964)
I.2.2.4 Adapazari Effets -Liquéfaction sur les fondations peu profondes (1999)
I.2.2.5 Port d’Island, Kobe, Japon (1995)
I.2.2.6 Chi-Chi, Taiwan (1999)
I.2.2.7 Christchurch, New Zealand (2011)
I.3 Facteurs influençant la liquéfaction de sols
1.3.1 Âge et origine des sols
1.3.2 Type de sol
1.3.3 Densité relative de sol Dr
1.3.4 La nappe phréatique
I.3.5 La taille des particules
I.3.6 Les conditions de drainage
I.3.7 Charge de bâtiment
1.3.8 L’intensité et la durée de tremblement de terre
I.4 Traitement des sols liquéfiables
I.4.1 Méthode d’amélioration des caractéristiques de résistance du sol
I.4.1.1 Densification de sol
I.4.1.1.1 Compactage dynamique
I.4.1.1.2 Vibro-flottation
I.4.1.3 Colonnes ballastées
I.4.1.4 Substitution
I.4.1.5 Technique de drainage
I.5 CONCLUSION
Chapitre II: EVALUATION DU POTENTIEL DE LA LIQUEFACTION DES SOLS
II.1 Introduction
II.2 Evaluation du potentiel de liquéfaction
II.2.1 Evaluation du rapport de contraintes cycliques (CSR)
II.2.2 Evaluation du rapport de résistance cyclique (CRR)
II.2.2.1 Facteurs de corrections selon le poids des terres et les contraintes de cisaillement initiales
II.2.2.2 Evaluation du CRR par l’essai SPT
II.2.2.2.1 Essai de pénétration standard (SPT) (Standard Pénétration Test)
II.2.2.2.2 Méthode de Toshio Iwasaki et al (1984)
II.2.2.2.3 Méthode de Youd et al. (2001)
II.2.2.2.4 Méthode d’Andrus et al (2004)
II.2.2.2.5 Méthode de Rolando P. Orense (2005)
II.2.2.2.6 Méthode d’Idriss et Boulanger (2006)
II.2.2.3 Evaluation du CRR par l’essai CPT
II.2.2.3.1 Méthode d’Olsen et al. (1997)
II.2.2.3.2 Méthode de Robertson et Wride (1998)
II.2.2.3.3 Méthode d’Andrus et Al (2004)
II.2.2.3.4 Méthode Idriss et Boulanger (2006)
II.2.2.4 Evaluation du CRR par les méthodes de mesure de vitesse de cisaillement
II.2.2.4.1 Méthode d’Andrus et Stokoe (1997)
II.2.2.4.2 Méthode d’Andrus et al (2004)
II.2.2.5 Evaluation du CRR par l’essai de dilatomètre de Marchetti (DMT)
II.2.2.5.1 Méthode de Grasso et Maugeri (2006)
II.2.2.5.2 Méthode de Pai-Hsiang Tsai et al (2009)
II.3 Facteur de sécurité
II.4 Estimation de la probabilité de liquéfaction
II.5 CONCLUSION
CHAPITRE III: ETUDE DETERMINISTE DE LA LIQUEFACTION DES SOLS (SITE DE BOUMERDES)
III.1 Introduction
III.2 Présentation du site
III.2.1 Localisation
III.2.2 Contexte Sismique
III.2 .2.1 Sismicité
III.2.3 Contexte géologique
III.2.3.1 Géologie régionale
III.2.3.2 Géologie local
III.2.4 Nature lithologique
III .3 Essais de pénétromètre standard (S.P.T)
III.3.1 Principe
III.3.2 Résultats des essais S.P.T
III.4 Etude déterministe du potentiel de liquéfaction de site
III.4.1 SONDAGE N°04
III.4.1.1 Calcul de contrainte cyclique CSR(sondage N°04)
III.4.1.2 Calcul du taux de la résistance cyclique CRR(sondage N°04)
III.4.1.3 Calcul de facteur de sécurité (sondage N°04)
III.4.2 SONDAGE N°02
III.4.2.1 Calcul de contrainte cyclique CSR (sondage N°02)
III.4.2.2 Calcul du taux de la résistance cyclique CRR (SONDAGE N°02)
III.4.2.3 Calcul de facteur de sécurité Fs (sondage N°02)
III.4.3 SONDAGE N°05
III.4.3.1 Calcul de contrainte cyclique CSR (sondage N°5)
III.4.3.2 Calcul du taux de la résistance cyclique CRR (sondage N°05)
III.4.3.3 Calcul de facteur de sécurité FS (sondageN°05)
III.4.4 SONDAGE N°08
III.4.4.1 Calcul de contrainte cyclique CSR (Sondage N°08)
III.4.4.2 Calcul du taux de la résistance cyclique CRR (sondage N°08)
III.4.4.3 Calcul de facteur de sécurité Fs (sondage N°08)
III.4.5 SONDAGE N°09 .
III.4.5.1 Calcul de contrainte cyclique CSR( Sondage N°09)
III.4.5.2 Calcul du taux de la résistance cyclique CRR (sondage N°09)
III.4.5.3 Calcul de facteur de sécurité Fs (Sondage N°09)
III.4.6 Analyse déterministre
III.5 CONCLUSION
CHAPITRE IV : ETUDE PROBABILISTE DU POTENTIEL DE LIQUEFACTION DES SOLS (SITE DE BOUMERDES)
IV.1 Introduction
IV.2 ESTIMATION PROBABILISTE DE LIQUEFACTION
IV.3  Analyse fiabiliste de potentiel de liquéfaction de sol
IV.3.1 Estimation des incertitudes des variables aléatoires
IV.3.1.1. Les incertitudes des paramètres de la résistance cyclique
IV.3.1.1.1. Estimation des incertitudes des facteurs qui influent sur N1.60
IV.3.1.1.2. L’estimation des incertitudes liées au contenu des fines, FC
IV.3.1.2. Les incertitudes des paramètres de la contrainte cyclique
IV.3.1.2.1.La magnitude de moment
IV.3.1.2.2. Accélération maximale du sol
IV.3.2.3. La contrainte totale verticale
IV.3.2.4. La contrainte effective
IV.3.3 Initiation du phénomène de liquéfaction par l’approche probabiliste
IV.3.1. La fonction d’état limite
IV.3.2. Covariance entre les variables aléatoires
VI.3.5.1 Corrélation entre les paramètres aléatoire
IV.3.4 Méthode de simulation de Monte Carlo.
VI.3.5 Analyse probabiliste
IV 3.5.1 Résultats des calcul fiabiliste
IV.4 Conclusion
CONCLUSION GENERALE

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