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

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

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

Izmit, 1999

Exemples de rupture

de fondations

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).

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.

Alaska, 1964Guatemala, 1976

pandagelatral

Ces ruptures ont tinities par la liqufaction de lentilles de sables au sein des massifs.

Olympia, 2001

pandagelatral

Ruptures de berges.

Glissement de terrainGnration de

pressions interstitiellesPerte de rsistance

et effet gravitaire.

couche liqufie

Yualin, 1999

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

Ouvrages en terreRemblais

Taichung, 1999

Costa Rica, 1991

Tokachi-Oki, 2003

Volcan de sable

Ouvrages en terreRemblais

Ouvrages en terreRemblais

Bhuj, 2001

Spitak, 1988

Effondrement du parement amont dun barrage

San Fernando, 1971

Bhuj, 2001

Ouvrages en terreDigues

Ouvrages en terre Remblais

talementlatral

Remblai

Southern Peru, 2001

Ouvrages enterrs

couche liqufie

La liqufaction produit lesoulvement des ouvragesenterrs ou leur rupture.

Northridge, 1994

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

Dplacement latral de quais

Kobe, 1995

Actions sur les ouvrages dart

couche liqufie

effortsdplacements

????

Destruction douvrages

Costa Rica, 1991

Izmit, 1999

Destruction dunouvrage

Niigata, 1964

La liqufaction provoque de grands dplacements dans le massif de sol et produit des interactions fortes sur les fondations.

Expressionde la liqufaction

Taichung, 1999

La liqufaction affecte le massif de sol et se traduit par de profonds dsordres en surface.

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.

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.

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.

couche liqufie

Expressionde la liqufaction

volcan de sable

Taichung, 1991

Expressionde la liqufaction

Dplacement relatifdu sol et de louvrage.

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

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

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

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

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

DYNTTSUnit triaxiale

cyclique asservie

Labo Sols Roches RhologieCETE Mditerrane

Dynamic Triaxial Testing System

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)

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

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

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

Autres moyens dessais

table vibrante

sable lchesable dense

a

t

5 m

centrifugeuse remblai

sable lche

acclromtrescapteurs de pression interstitielle

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

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

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.

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.

Renforcement des remblais Quelques solutions

Remblai lger

gotextiles inclusions

gotextiles inclusions

Renforcement des sols Quelques solutionsadoucir les pentes confiner le terrain

1/2

inclusions

traitementinclusions, jet

compactagedynamique

traitement du soltraitement du sol

Ouvrages en terreQuais

sols traits

sols traitsplate-forme portes

Ouvrage en terre Ouvrage dart

cule perchepente adoucie

mur droitailes latrales

vue en planRemblai lger

profil en long

Fondations profondestraitement du sol parois traites

pieux renforcs massif de pieux

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.

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.

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 :

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

Effets et sollicitations

oscillations

pressions statiquespressions dynamiques

pandage latral

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.

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.

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

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.

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