1Journes Techniquesorganises avec lappui du Straet sous lgide de la CoTITA

Qualification et prise en compte du risque de liqufaction sur les OA

PRISE EN COMPTE DU RISQUE SISMIQUE

JF SerratriceCETE Mditerrane

2Une dfinition De la liqufaction des sols

La liqufaction dun sol satur sans cohsionpendant le mouvement sismique dsigne :- la diminution de la rigidit du sol,- et/ou la diminution de sa rsistance au cisaillement,

dues laugmentation de la pression de leau interstitielle et susceptiblesde produire :- des dformations permanentes significatives (tassements, glissements),- voire un quasi-annulation des contraintes effectives (talements).

Mcanisme de rupture extrmequi advient dans les solspeu consistants saturs etpendant les mouvements forts

Dfinitions de lEurocode 8 NF EN 1998-5 3.1 3.2 4.1.4

Lanalyse de la liqufaction nest pas requisedans les zones de sismicit 1 et 2 (sismicit trs faible et faible).

Arrt du 22 octobre 2010 Article 4.

3Une valuation de la susceptibilit la liqufaction doit tre effectue lorsque :- le sol de fondation comprend des couches tendues ou des lentilles

paisses de sables lches,- avec ou sans fines limoneuses ou argileuses,- au-dessous de la nappe phratique,- et lorsque ce niveau et proche de la surface du sol.

Cette valuation doit tre effectue pour les conditions de site en champ libre prdominantes durant la vie de la structure.Ces conditions concernent :- le niveau de la surface du sol,- le niveau de la nappe phratique.

Il existe des cas trs particuliers pour lesquels lvaluation de la susceptibilit la liqufaction peut tre omise. Alinas (7) et (8)

NF EN 1998-5 4.1.4

De la ncessit de procder lanalyse NF EN 1998-5

4Cette valuation doit tre effectue pour les conditions de site en champ libre prdominantes durant la vie de la structure.Ces conditions concernent :- le niveau de la surface du sol,- le niveau de la nappe phratique.

Les reconnaissances minimalesLes reconnaissances exiges cette fin doivent comporter au minimum la ralisation dessais in situ :- soit dessais de pntration standard (SPT),- et/ou dessais de pntration au cne (CPT),- ainsi que des prlvements des sols en vue de la dtermination des

courbes granulomtriques en laboratoire.

Les conditions de site

tant entendu que lvaluation sadresse des conditions de sol horizontal.

Et permettre un examen direct des sols

Une mthode simplifie NF EN 1998-5

5Le principe de lvaluationSi le risque de liqufaction ne peut pas tre nglig, il doit tre valu au minimum :- par des mthodes reconnues dingnierie gotechnique,- bases sur des corrlations exprimentales entre mesures in situ et

contraintes critiques de cisaillement cyclique,- contraintes critiques r dont on sait quelles ont caus une liqufaction

lors des sismes passs.

Cette approche par corrlation exprimentale concerne diffrents types de mesures in-situ provenant :- dessais de pntration standard (SPT),- dessais de pntration au cne (CPT),- dessais pour la mesure de vitesses de cisaillement Vs.

Et se fonde sur lutilisation de diagrammes empiriques de liqufaction (voir ci-aprs).

NF EN 1998-5

6Relation entre le rapport Y des contraintes sismiques produisant la liqufaction et la rsistance X du sol pour des sismes de magnitude 7,5.

Exemple

A - Sables propres B - Sables limoneux

X variable normalise reprsentant la rsistance du sol pour une magnitude 7,5Y variable normalise reprsentant la contrainte de cisaillement sismique pour une magnitude 7,5

Y = e/v0

Pourcentage de fines dans le sol1 C74 m 35 %2 C74 m = 20 %3 C74 m 5 %

Approche par corrlation exprimentaleNF EN 1998-5

7Sondages au pizocnePointe dun pizocne

Reconnaissances terreViaduc de Caronte

Reconnaissances en merAroport de Nice Cte dAzur

Pntromtre CPTu

Essaisin-situ

8u1

u2

u3

Manchon defrottement

Cne

Positions des filtres deprise de pression d'eau

Pointepntromtrique

Connecteur

Train de tiges

Sondages au pizocne Essaisin-situ

Pointe dun pizocne

Pntromtre CPTu

9Site en Turquie Site en France

Sables Limons Argiles

Sondages au pizocne Essaisin-situ

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Sondages au pizocne Essaisin-situ

Mesures brutes de :- la rsistance de pointe qt,- du frottement latral unitaire fs,- de la pression deau u2.

Dtermination des variables normalises Q, F, Bq, etc.valuation de la rsistance normalise qc1N du sol. Comparaison de la rsistance du sol la sollicitation sismique normalise du site.

Recommandations NCEERYoud et al. (2001)

Approche par corrlation exprimentale

Dm

arche

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Le principe de lvaluation du risqueDans lapproche base sur des corrlations exprimentales, la contrainte de cisaillement sismique peut tre value laide de la relation simplifie :

Dans cette approche, un sol doit tre considr comme liqufiable dans des conditions de sol horizontal chaque fois que la contrainte de cisaillement e induite par le sisme dpasse une fraction de la contrainte critique r dont on sait quelle a caus une liqufaction lors de sismes antrieurs.La valeur recommande de est = 0,8, ce qui implique un coefficient de scurit Fs = 1/ = 1,25.

e = 0,65 S v0o = ag/g est le rapport de la valeur de calcul de lacclration du sol, g lacclration de la pesanteur, S le paramtre caractristique de la classe de sol et v0 la contrainte verticale totale due au poids des terres la profondeur z considre. Cette expression ne doit pas tre applique pour les profondeurs suprieures 20 m.

NF EN 1998-5

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Si les sols sont identifis comme liqufiables la stabilit des fondations doit tre assure par exemple par une amlioration du sol et le recours des fondations sur pieux.

Le renforcement des fondations et des sols

Diffrentes techniques de renforcement des sols ou de traitement sontenvisageables.Il convient de prvoir des tests et des critres post-traitement pour valuer lefficacit de lamlioration des sols.

Il convient denvisager avec prudence la seule utilisation de fondations sur pieux, en raison des forces importantes induites dans les pieux par la perte de rsistance du sol dans la ou les couches liqufiables, et en raison des incertitudes invitables lies lindtermination de lemplacement et de lpaisseur de cette ou de ces couches. Pieux renforcs

NF EN 1998-5

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ExempleDeux sites dune localit 1 ont fait lobjet de reconnaissances gotechniques en vue de la construction dun ouvrage. Cette localit se trouve en zone de sismicit 3 (sismicit modre)Le massif est constitu par un dpt sableux de faible densit et largement tendu. Les vitesses des ondes de cisaillement mesures dans les sites 1 et 2 sont respectivement gales Vs=160 m/s et 120 m/s.Il sagit dvaluer le coefficient de scurit la liqufaction la profondeur de 4 m sous le niveau du terrain naturel dans chacun des deux sites o le toit de la nappe est 1 m de profondeur.Les rsultats des essais didentification effectus en laboratoire sur les sols prlevs par carottage cette profondeur sont donns la page suivante.A titre de comparaison, valuer les coefficients de scurit des deux sites dans les localits 2 et 3 situes en zones de sismicit 4 et 5, mais o les dpts sont des sables denses et raides.

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Les essais didentification effectus sur les sols prlevs par carottage 4 m de profondeur ont fourni les proprits suivantes dans les deux sites.

Proprits gotechniques du sol

Sable propre satur lche4818,038,432

Sable propre satur lche5118,127,541

CommentaireIndice de

densit ID (%)

Poids volumique

(kN/m3)Teneur en

eau w (%)

Teneur

C74 m (%)

Site

C74 m pourcentage de particules de diamtres infrieurs 74 m (granulomtrie)

Contraintes dans le solA la profondeur z sous la surface du terrain horizontal et dans la nappe :- la contrainte verticale totale v0 due au poids des terres est v0 = z,- la pression hydrostatique u0 est u0 = w (z zw) pour z > zw, o w est le

poids volumique de leau (w 10 kN/m3) et zw la profondeur du toit de la nappe,- la contrainte verticale effective v0 est v0 = v0 u.

Dans la suite, le profil de contraintes verticales du site 1 est adopt aussi pour le site 2.

15

16

Site 1 Vs = 160 m/s

Site 2 Vs = 120 m/s

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1,4IV1,2III1,0II0,8I

Coefficients dimportance I

Catgories dimportancedu btiment

3,05 (forte)

1,64 (moyenne)

1,13 (modre)

0,72 (faible)

0,41 (trs faible)

Agr (m/s2)Zones de sismicit

1,41,8E

1,351,6D

1,151,5C

1,21,35B

1,01,0A

S (zone 5)S (zones 1 4)Classes de sol

Arrt du 24 octobre 2010Relatif la classification et aux rgles

de construction parasismique applicables aux btiments de la classe dite risque normal

Catgories et coefficients dimportancedu btiment

Zones de sismicit et acclration maximale de rfrence au niveau dun sol

de type rocheux agr

Classes de sol selon sa natureet paramtre de sol S

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NF EN 1998-1 (2005) Calcul des structures pour leur rsistance au sismeClasses de sol dcrites par les profils stratigraphiques et les paramtres gotechniques du site

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Recommandations NCEER (Youd et al. 2001)Atelier pour lvaluation de la rsistance des sols la liqufaction

Facteur dchelle de magnitude MSF par diffrents auteurs et recommandation NCEER

NCEER US National Center for Earthquake Engineering Research

Youd et al. (2001)

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Recommandations NCEER (Youd et al. 2001)Atelier pour lvaluation de la rsistance des sols la liqufaction

Rapport de rsistance cyclique en fonction de la vitesse normalise des ondes de cisaillement Vs1 et en fonction du pourcentage de fines C74 m la magnitude 7,5

Vs vitesse des ondes de cisaillement mesuresdans le site

Vs1=Vs (patmo/v0) 0,25

Patmo 100 kPa

v0 contrainte verticaleEffective en place

Youd et al. (2001)

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Investigationscomplmentaires

Prlvements par sondages carottset essais de laboratoire

Les prlvements par sondages carotts doivent fournir des chantillons de trs bonne qualit, bien conditionns et protgs, transports avec soin.

Norme NF P 94-202

Les essais mcaniques sont raliss en laboratoire pour dterminer la rsistance cyclique du sol (essais de liqufaction).La rsistance cyclique est compare ensuite la contrainte de cisaillement sismique dans les conditions sismiques du site (coefficient de scurit).Dautres essais peuvent tre effectus pour dterminer les proprits dynamiques du sol (essais cycliques).

Caisses pour le transportdes chantillons carotts

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Essais de laboratoire

Le programme dessais est dfini dans un cahier des charges qui prcise :- les conditions sismiques du site (lacclration de rfrence, le coefficient

dattnuation avec la profondeur, le nombre de cycles quivalent, la frquence de rfrence, etc.),- la nature du sol,- les contraintes dans le sol avant travaux et les contraintes dans le sol

aprs travaux et dans les conditions de chargement de louvrage, le niveau de la nappe avant et aprs, la profondeur des prlvements, etc.- les conditions dessais (pressions, nombres de cycles, critres, etc.).

Les essais mcaniques sont accompagn utilement par des essais didentification du sol :- caractristiques dtat (teneur en eau, densit, degr de saturation),- granulomtrie,- limites de consistance,- densits min et max,- etc.

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Courbes dun essai triaxial cyclique

Accumulation de la pressioninterstitielle au cours des cycles

Entre engrandesdformations

prouvettesdessais

Pressetriaxialecyclique

Contrainte decisaillementcyclique

Essaistriaxiaux

cycliquesEssais de laboratoire

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ExempleDans lexemple qui suit, des essais de liqufaction ont t effectus en laboratoire lappareil triaxial sur deux sols du mme site :- un sable cru de faible densit,- un limon.

.

valuer les coefficients de scurit la liqufaction du sable dans les conditions sismiques et les contraintes de cisaillement des localits 1, 2 et 3 examines prcdemment.Idem pour le limon.

Les courbes donnant les rsistances cycliques des deux sols en fonction du nombre de cycles sont indiques sur le graphique de la page suivante.

Le nombre de cycles quivalents Nedfini dans le cahier des charges est donn dans le tableau ci-contre.

205 (forte)

104 (moyenne)

53 (modre)

Nombre de cycles

quivalents Ne

Zones de sismicit

Daprs le cahier des charges des essais

25

0

0,1

0,2

0,3

0,4

1 10 100

sable

limonrse

rre

Ne

Nombre de cycles

R

s

i

s

t

a

n

c

e

c

y

c

l

i

q

u

e

Fs = rre / rseFs < 1 liqufaction quasi certaineFs< 1,33 liqufaction probable

Facteur de scurit FS

Rupture en extension

Avant essaiAprs essai

Ne nombre de cycles quivalents

Essais de laboratoireRsistance cyclique en fonction du nombre de cycles

Essaistriaxiaux

cycliques

26

Sable

Limon

27

Courbes contrainte-dformation cycliques pourdes squences de cycles de diffrentes amplitudes

Dgradation dumodule dYoungen fonction de la

dformation

Essais de laboratoireMesure des proprits

dynamiques du sol

Accroissement de lamortissement

en fonction de la dformation

Les modules dYoung Eureprsentent la pente des courbes

Les amortissements D reprsentent les ventres des courbes

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29

Dans la norme NF P 06-013 les sols considrs a priori comme suspects de liqufaction sont :a) Les sables et limons prsentant les caractristiques suivantes :

Pratique PS92

b) Les sols argileux prsentant les caractristiques suivantes :

A contrario, les sols sableux dans lesquels on a :

ou les sols argileux dans lesquels on a simultanment :

sont exempts de risque de liqufaction.

Sol saturGranulomtrie uniforme telle que CU = d60/d10 < 15

Diamtre 50 % tel que 50 < d50 < 1500 mmtat de contrainte ltat final du projet tel que v < 200 kPa en zone I

Diamtre 15 % tel que d15 > 5 mLimite de liquidit telle que wL < 35

Teneur en eau w > 0,9 wLPoint dans le diagramme de plasticit tel que Ip > 0,73 (wL 20)

Diamtre 10 % tel que d10 > 2 mm

Diamtre 70 % tel que d70 < 74 met indice de plasticit Ip > 10

NF P 06-013

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Exemples de courbes granulomtriquesCourbes

granulomtriques

Tableau des critres danalyse selon lanorme NF P 06-013- s sables- a argiles- x exemption

Exemplesdanalyses