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Liquéfaction Moyens d'essais

Liquéfaction des sols sous séismes

Réunion technique de CFMS 24 mars 2010 Paris

Moyens d'essais de laboratoire pour la caractérisation

de la liquéfaction des sols

Essais de laboratoire et essais au piézocône J.F. Serratrice

CETE Méditerranée Aix en Provence

Résumé La présentation aborde deux moyens complémentaires utilisés en pratique dans les reconnaissances géotechniques des sites pour identifier des sols susceptibles de liquéfaction. La présentation des essais triaxiaux cycliques en laboratoire donne l'occasion de discuter de l'intérêt et des limites de ce type d'approche. De même, en matière d'essais in-situ, l'utilisation du piézocône présente aussi ses avantages et ses limites. La présentation montre l'intérêt de pratiquer ces deux approches simultanément.

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Liquéfaction Moyens d'essais

Diapo 1. L'exposé comprend deux parties : • une partie concernant les essais triaxiaux cycliques réalisés en laboratoire, • et une partie concernant les essais in-situ au piézocône, qui sont des moyens utilisés couramment dans les reconnaissances géotechniques des sites. Diapo 2. Concernant les essais de laboratoire, les essais triaxiaux cycliques sont mis en œuvre dans deux types d'applications : • les essais triaxiaux cycliques destinés à mesurer les propriétés dynamiques des sols, dégradation des modules non drainé et amortissement, • les essais de liquéfaction destinés à mesurer la résistance cyclique du sol. Vous voyez en haut à droite une photo d'une presse triaxiale cyclique asservie et en bas à gauche une instrumentation locale de l'éprouvette triaxiale. Diapo 3. Dans les essais triaxiaux cycliques, l'éprouvette est soumise à des séquences de cycles successives en contrôlant le déplacement axial, en condition non drainée. L'amplitude de la sollicitation est augmentée d'une séquence à l'autre. La déformation axiale εa, la contrainte de cisaillement q (déviateur) et la pression interstitielle u sont enregistrées en fonction du temps t. Les modules d'Young Eu et les amortissements D sont déterminés à chaque étape. Diapo 4. La courbe contrainte déformation (εa, q) enregistrée pendant une séquence de cycles est exploitée pour donner le module d'Young Eu (pente moyenne) et l'amortissement D (aire de la boucle) du sol, qui correspondent à une double amplitude donnée ∆εa DA de la sollicitation. Ces paramètres Eu et D sont reportés en fonction de ∆εa DA. Ces courbes peuvent être complétées vers les petites déformations en mettant en œuvre des essais à la colonne résonnante ou des mesures de la vitesse Vs des ondes de cisaillement.

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Liquéfaction Moyens d'essais

Diapo 5. Les essais triaxiaux de liquéfaction se pratiquent en condition non drainée sur plusieurs éprouvettes chargées sous différentes amplitudes ∆qSA de contraintes de cisaillement. La déformation axiale εa, la contrainte de cisaillement q (déviateur) et la pression interstitielle u sont enregistrées en fonction du temps t. Pour chaque éprouvette, la liquéfaction est définie par le nombre de cycles N pour atteindre un niveau de déformation donné, ici ∆εa SA = -5 % en extension. Diapo 6. L'amplitude cyclique ∆qSA est normalisée par la pression moyenne effective de consolidation pc pour obtenir le rapport rr = ∆qSA/2pc. Les couples (N, rr) dont reportés sur un graphique et la résistance cyclique rre du sol est déterminée pour un nombre de cycles équivalents Ne donné par les caractéristiques du séisme de projet. Un facteur de sécurité Fs = rre / rse peut être évalué alors, connaissant la sollicitation sismique du site rse. Diapo 7. Les problèmes rencontrés avec les essais de laboratoire concernent différents aspects de la liquéfaction des sols. • difficultés de prélèvement des sols sableux dans leur état naturel ; intérêt des essais in-situ dans ces terrains, • différences entre les sollicitations triaxiales et les sollicitations en cisaillement simple ou autres ; adéquation des chargements en laboratoire avec les sollicitations réelles dans les sites sous séisme, • problèmes liés à la définition des seuils de liquéfaction (en déformation ou en pression interstitielle et nombre de cycles équivalents), • problème de l'application des critères dédiés aux sables aux sols limoneux et argileux, qui sont peu consolidés, mous et déformables, mais non effondrables ; liquéfaction des argiles ? Diapo 8. Concernant les essais in-situ et les essais au piézocône en particulier, les problèmes rencontrés concernent : • les nombreuses classifications et les évolutions de ces classifications, sur lesquelles il n'y a pas toujours consensus, • les propriétés mal connues des sols naturels intermédiaires sablo-limono-argileux,

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Liquéfaction Moyens d'essais

• les méthode de détection des sols liquéfiables. Diapo 9. Voici quatre exemples de sondages au piézocône dans divers types de terrain. Exemple 1, du remblai reposant sur une argile vaseuse très molle. Exemple 2, un ensemble argileux limoneux avec des lits sableux. Deux sondages sont représentés, l'un sous un remblai et l'autre en dehors du remblai. La consolidation du sol par le remblai se traduit par une augmentation des mesures de qt et u2. Diapo 10. Exemple 3, une couche de sable sur une couche de limon. Deux sondages sont représentés, qui ont été réalisés avant et après le renforcement du massif par des colonnes ballastées. Cette densification à pour effet d'augmenter qt et fs dans les sables et fs et u2 dans les limons. Exemple 4, un ensemble sableux ou u2 = u0. Dans tous les exemples, qt, fs et u2 augmentent avec la profondeur. Diapo 11. Des travaux récents marquent une évolution des classifications et des méthodes d'analyse des données pénétrométriques : • classifications adaptées au type de terrain, comme ici en pourcentage d'éléments fins (FC = C74 µm) et en indice de plasticité Ip, ou classifications fondées sur u2 (et non pas Bq), • analyse du comportement de la pointe pénétrométrique et de la vitesse de fonçage, • croisement avec d'autres mesures (qt et Gmax par exemple), • description des chemins des contraintes effectives autour de la pointe pénétrométrique pendant le fonçage. Diapo 12. Voici maintenant l'illustration d'une méthode originale d'exploitation des mesures au piézocône par analogie avec l'essai triaxial.

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Liquéfaction Moyens d'essais

Les résistances des sols sont mesurées au triaxial, résistance en contraintes totales (ccu, φcu) et en contraintes effectives (c', φ'). Puis, la méthode opère en deux étapes : • à l'étape 1, décomposition de qt et u2 en parties isotrope et déviatoire ; puis classification du sol en référence aux résistances drainées et non drainées mesurées au triaxial sur les mêmes sols, • à l'étape 2, identification des sols sensibles, de faible compacité et peu résistants, d'après les mesures de fs et la résistance effective qE = qt – u2 ; la méthode tient compte de l'effet de la densification des sols sableux sur les mesures au piézocône. Diapo 13. Voici deux exemples : • le premier est un piézocône effectué en Turquie dans des sols argileux, limoneux et sableux, • le second est effectué en France dans des argiles, limons, lits sableux et sables. A l'issue de la classification à l'étape 1, les sols argileux sont représentés en rouge, les sols limoneux en bleu et les sols sableux en vert. A l'issue de l'étape 2, les sols sensibles sont indiqués par des ronds, les sols non sensibles par des croix. Diapo 14. Conclusion, perspectives. • pour les essais de laboratoire :

- poursuivre l’étude expérimentale des sols dans leur état naturel et tout particulièrement les sols limoneux et les sols argileux sous chargements statiques et cycliques,

- développer des méthodes d’interprétation « comportementales » (de type chemins des contraintes), pour les essais cycliques notamment.

• pour les essais au piézocône :

- nécessité de croiser les données provenant de différents types d’essais (labo, CPT, Vs et autres),

- interpréter les données en chemins des contraintes d’après les essais triaxiaux.

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Moyens d’essais de laboratoirepour la caractérisation

de la liquéfaction des solsEssais de laboratoire et essais au piézocône

Liquéfaction de sols sous séismesRéunion technique du CFMS 24 mars 2010 Paris

JF SerratriceCETE Méditerranée

Aix en Provence

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DynTTSUnité triaxiale

cyclique asservie0-10 Hz 1000 kPa

Instrumentation locale de l’éprouvette

Essais mécaniquesen laboratoireEssais triaxiaux

Deux types d’applicationsEssais cycliques destinés à mesurer les propriétés dynamiques des sols, dégradation des modules et amortissement.Essais de liquéfaction destinés à mesurer la résistance cyclique du sol.

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Essai triaxial cycliqueCourbes en fonction du

tempsDéformation axiale

DéviateurPression interstitielle

La déformation axiale cyclique εa est imposée

Essai triaxial cyclique

La sollicitation est contrôlée en déformation et plusieurs séquences de cycles sont appliquées successivement. Les modules et les amortissements sont déterminés à chaque étape.

Essai triaxial cycliqueDégradation du module E u

et amortissement Den fonction du niveau de

déformation

Courbe contrainte-déformation

Dégradationdu module d’Young E uRaideur du solPente des boucles(εεεεa, q)

Amortissement DDissipation del’énergieAire des boucles(εεεεa, q)

Essai triaxial cyclique

Essais à la colonne

résonnante Mesures de V s

Essai triaxial de liquéfaction

Courbes en fonction du temps

Déformation axialeDéviateur

Pression interstitielle

Critères en déformationNombre de cycles pour atteindre un niveau de déformation donné

εa=5%

N=16

Le déviateur cyclique q est imposé

Essai triaxial de liquéfaction

La sollicitation est contrôlée en contrainte de cisaillement. Les essais consistent à rechercher le nombre de cycles pour aboutir à la liquéfaction du sol. Ce nombre de cycles est comparé au nombre de cycles équivalents imposé par le séisme de projet.

Essai triaxial de liquéfaction

Résistance cycliqueen fonction du nombre

de cycles

0

0,1

0,2

0,3

0,4

1 10 100

Fs = rre / rse

sable

limonrse

rre

Ne

Nombre de cycles

Rés

ista

nce

cycl

ique

Fs < 1 liquéfaction quasi certaineFs< 1,33 liquéfaction probable

Facteur de sécurité FS

Rupture en extension

Avant essai

Après essai

Essai triaxial de liquéfaction

Ne nombre de cycleséquivalents

PrélèvementDifficultés de prélèvement des sols sableux dans leur état naturel.Intérêt des essais in-situ dans ces terrains.

SollicitationsDifférences entre les sollicitations triaxiales et les sollicitations en cisaillement simple ou autres.Adéquation avec les sollicitations réelles dans les sites sous séismes

Essais de laboratoire Essais triaxiaux cycliques

Critères de liquéfactionProblèmes liés à la définition des seuils de liquéfaction (en niveau de déformation ou en pression interstitielle et nombre de cycles équivalents).

Application aux sols fins limoneux et argileuxSols peu consolidés, mous et déformables, mais non effondrables.Liquéfaction des argiles ?

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Pointepénétrométrique

Principe

Essais in-situSondagesau piézocône

u2

Manchon defrottement

Cône

Connecteur

Prise de pression d'eau

fs

qt

Problèmes posésNombreuses classifications et évolutions de ces classifications, pas de consensus.Propriétés mal connues des sols naturels intermédiaires sablo-limono-argileux.Identification des sols liquéfiables.

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Sondages au piézocône

Remblai, argile Argile, limon, lits sableux

Sous un remblai et hors du remblai

Sondages au piézocône

Sable, limon Sable

Avant et après renforcementpar des colonnes ballastées

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EvolutionsPublications récentes.

Résistance de pointe q t et module de cisaillement GRoy (2008) Schneider (2009)

Modélisation du fonçage dans les sols finsChemins des contraintes effectives

Silva et al. (2006)

Influence de la vitesse de fonçage q t u2

Drainage partiel Switch testsKim et al. (2008)

Classifications des sols en q t/σσσσ’v0 u2/σσσσ’v0Schneider et al. (2008)

Classification des sols en I p ou C75 (FC)Cetin et Ozan (2009)

Exploitation des piézocônes par analogie avec l’ess ai triaxial

Etape 1Décomposition de qt et u2 en parties isotrope et déviatoire.

Puis référence aux résistances drainées et non drainées mesurées au triaxial dans le même sol.Cette décomposition permet de classer le sol.

Etape 2Identification des sols sensibles de faible compacité et peu résistants d’après fs et la résistance effective qE = qt - u2.

La méthode tient compte de l’effet de la densification des sols sableux sur les résistances au piézocône.

Deux étapes : identification des sols et détection des sols sensibles

Essai triaxial Mesure des résistances en contraintes effectives c’ et φ’ et en contraintes totales ccu φcu.

Argile, limon, sable Argile, limon, sable et lits sa bleux

Site en Turquie Site en France

Exploitation des piézocônes par analogie avec l’ess ai triaxial

Essais de laboratoirePoursuivre l’étude expérimentale des sols dans leur état naturel et tout particulièrement les sols limoneux et les sols argileux sous chargements monotones et cycliques.Développer des méthodes d’interprétation « comportementales » (de type chemins des contraintes), pour les essais cycliques notamment.

Interprétation des piézocônesNécessité de croiser les données provenant de différents types d’essais (labo, CPTu, Vs et autres).Interpréter les données en chemins des contraintes d’après les essais triaxiaux.

Moyens d’essais pour caractériser la liquéfaction des sols

Conclusions Perspectives

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