Qu'est-ce que Liquefaction et pourquoi est-ce important?

La liquéfaction est l'un des phénomènes les plus dramatiques et destructeurs déclenchés par les tremblements de terre. Pendant les fortes secousses sismiques, le sol granulaire saturé d'eau peut perdre sa structure solide et se comporter comme un liquide visqueux, avec des conséquences qui incluent la construction, les défaillances de fondation, les ruptures de pipeline enterrées, et même la propagation latérale du sol dans des quartiers entiers. Contrairement aux secousses du sol, qui endommagent les structures principalement par des forces inertielles, la liquéfaction attaque le sol sous une structure, en supprimant sa capacité à supporter des charges.

Lorsque le sol liquéfie, le sol peut éjecter du sable et de l'eau par des fissures, incliner les bâtiments, faire flotter des réservoirs souterrains à la surface et transformer ce qui semblait être une terre stable en un terrain qui se comporte plus comme des sables mouvants. Le phénomène a été documenté dans les principaux tremblements de terre dans le monde, y compris le tremblement de terre de Niigata en 1964 au Japon, le tremblement de terre de Loma Prieta en Californie en 1989, le tremblement de terre de Kobe en 1995 et la séquence du tremblement de terre de 2010 et de 2010 en Nouvelle-Zélande en 2011.

Cet article examine en détail les sciences qui sous-tendent la liquéfaction, les conditions de site qui rendent les sols vulnérables, les techniques techniques d'ingénierie utilisées pour prédire et atténuer les risques, et les implications du monde réel pour l'infrastructure et la sécurité.

La mécanique de la liquéfaction : comment le sol solide se transforme en fluide

Le rôle de la pression d'eau poreuse

Le sol est constitué de particules minérales solides avec des espaces vides entre elles. Dans des conditions normales, ces espaces vides contiennent à la fois de l'air et de l'eau, et la force du sol provient du contact frictionnel entre les particules individuelles. Le poids du sol sur-jacent et de toute structure de surface est transmis par le réseau de contact particule-à-particules, un concept géotechnique appelle stress efficace.

Pendant un tremblement de terre, les ondes de cisaillement se propagent à travers le sol, soumettant le sol à une charge cyclique rapide. Dans les sols saturés, lâches et sableux, le tremblement provoque une réarrangement des particules dans un emballage plus dense. Cependant, parce que les espaces vides sont déjà remplis d'eau et que le drainage ne peut pas se produire assez rapidement pendant le tremblement rapide, l'excès d'eau ne peut s'échapper. Cela crée une accumulation rapide de pression de l'eau poreuse.

Le seuil à partir duquel cela se produit dépend de la densité du sol, de l'amplitude et de la durée des tremblements, et des caractéristiques de drainage du gisement. Des sables saturés, faibles et uniformes, sont les plus sensibles. Les sables et graviers denses, par contre, tendent à se dilater pendant le cisaillement, générant une pression interstitielle négative qui augmente en fait la résistance, les rendant beaucoup plus résistants à la liquéfaction.

Mobilité cyclique contre véritable liquefaction

Les ingénieurs distinguent deux phénomènes apparentés mais distincts. La liquéfaction vraie se produit lorsque la pression interstitielle est égale à la pression de confinement effective initiale, produisant une perte complète de force soutenue au fil du temps. La mobilité cyclique, en revanche, décrit une condition dans laquelle la pression interstitielle s'élève très près de la pression de confinement, mais ne l'atteigne pas tout à fait, entraînant une perte temporaire et partielle de force.La mobilité cyclique peut encore produire de grandes déformations, mais le sol conserve une certaine force résiduelle. La distinction entre les éléments de conception, car les structures des sols qui subissent une liquéfaction réelle peuvent connaître des tassements catastrophiques et de grande magnitude, tandis que la mobilité cyclique a tendance à produire une déformation plus progressive et limitée.

Conditions qui rendent le sol vulnérable

Type de sol et taille des grains Distribution

Les sols les plus liquéfiables sont des sables liquéfiables, uniformément classés avec une taille de particules comprise entre 0,1 et 2,0 millimètres. Le coefficient d'uniformité, qui décrit la gamme de tailles de particules dans un échantillon de sol, fournit un indicateur important. Les sols bien classés avec une large distribution de particules ont tendance à être plus résistants parce que les particules plus petites remplissent les vides entre les plus grandes, réduisant l'espace disponible pour l'accumulation d'eau interstitielle.

Les argiles, avec leur structure cohésive et leur faible perméabilité, ne subissent généralement pas de liquéfaction classique, bien qu'elles puissent subir une perte de résistance et une déformation significatives sous charge cyclique, phénomène connexe appelé adoucissement cyclique .

Saturation et profondeur des eaux souterraines

La saturation complète ou quasi complète est une condition préalable à la liquéfaction. La présence d'eau dans les pores est ce qui génère l'excès de pression interstitielle pendant les tremblements. Les sites avec une nappe phréatique peu profonde, généralement à moins de 10 mètres de la surface, sont les plus exposés. Dans les zones côtières, les deltas des rivières, les terres récupérées et les lits de lacs remplis, la nappe phréatique est souvent proche de la surface du sol, plaçant ces zones dans la catégorie de danger la plus élevée.

Densité relative et histoire des dépôts

Les sols exposés à des concentrations de relativement faibles inférieures à 40 % sont les plus sujets à la liquéfaction. La densité relative compare la densité in situ d'un sol à ses densités maximales et minimales possibles en laboratoire.

Les dépôts les plus anciens et fortement consolidés ont tendance à être plus denses et stables. Les profils de sols en couches avec des lentilles alternées de sable, de limon et d'argile peuvent également créer des barrières de drainage qui piègent l'excès d'eau interstitielle, augmentant le potentiel de liquéfaction dans les couches de sable piégées.

Caractéristiques du tremblement de terre : Ampleur, Durée et Fréquence

Les caractéristiques de l'événement sismique lui-même jouent un rôle de contrôle. La liquéfaction nécessite un nombre suffisant d'applications de contrainte de cisaillement cycliques fortes pour générer la montée de pression interstitielle nécessaire. Les tremblements de terre de magnitude 5,5 ou plus sont généralement nécessaires pour déclencher une liquéfaction généralisée, avec la gravité augmentant avec magnitude et durée.

Le taux de secousse est également important. Le secousse à basse fréquence, qui produit des cycles plus longs et plus espacés, tend à être plus efficace pour générer une pression interstitielle dans les dépôts de sable épais que le mouvement à haute fréquence.

Manifestations de surface de liquéfaction

Bouils de sable et matériaux éjectés

L'un des signes les plus visibles de liquéfaction est la formation de sand ébullitions[, également appelé volcans de sable. Lorsque la pression interstitielle excédentaire se construit sous la surface, un mélange d'eau et de sable peut éclater par des fissures dans la croûte recouvrante, déposant du sable dans des monticules en forme de ventilateur sur la surface du sol. Ces caractéristiques fournissent une preuve directe que la liquéfaction s'est produite et peuvent aider les ingénieurs à cartographier l'étendue de la défaillance du sol sous-jacent.

Étendue latérale

L'effet de surface le plus dommageable est peut-être l'expansion latérale[, où les couches de sol liquéfié se déplacent en descente ou vers une surface libre telle qu'une rive, une côte ou une excavation ouverte. L'expansion latérale se produit généralement sur des pentes douces de seulement 0,5 à 3 degrés, déplaçant la surface du sol latéralement par mètres plutôt que verticalement.

Défaillances de débit

Sur des pentes plus raides, la liquéfaction peut déclencher des défaillances de débit , où de grandes masses de sol se déplacent rapidement en descente sur des distances considérables. Ces défaillances sont catastrophiques et souvent mortelles. Le tremblement de terre de San Fernando en Californie de 1971 a produit une panne de débit massive dans le barrage de San Fernando supérieur, et le tremblement de terre de 1920 en Chine a déclenché des écoulements qui ont enterré des villages entiers.

Règlement sur le terrain et mouvement différentiel

À mesure que la pression interstitielle excédentaire se dissipe après les arrêts de tremblement, le sol se consolide et se densifie, ce qui entraîne souvent un tassement de terrain de 10 à 100 centimètres ou plus. Un tassement différentiel sur une empreinte de bâtiment peut causer des inclinaisons structurelles, des fissures de fondation et des dommages à la superstructure.

Oscillation au sol et coups de sable

Sur un terrain plat où la couche liquéfiée est confinée sous une croûte non liquéfiée, le sol peut osciller en onde debout, produisant oscillation du sol[ sans grand déplacement permanent. Cela peut encore endommager les structures, les fondations et les chaussées de surface. Lorsque la croûte se brise sous pression, les coups éclatent, déposant du sable dans des feuilles qui peuvent couvrir les terres agricoles et les systèmes de drainage de la cloison.

Études de cas de liquéfaction dans les principaux tremblements de terre

Le séisme de Niigata en 1964 : un bassin versant

Le séisme de magnitude 7.5 qui a frappé Niigata, au Japon, en juin 1964 est largement considéré comme l'événement qui a porté la liquéfaction à l'attention de la communauté de l'ingénierie moderne. La liquéfaction extensive a causé l'effondrement, l'inclinaison, voire le renversement des bâtiments. Les photos aujourd'hui célèbres de bâtiments d'appartements situés sur leurs côtés tout en restant structurellement intacts sont devenues des images définissant l'ingénierie du tremblement de terre.

Le séisme de Loma Prieta de 1989 : la liquéfaction dans un cadre urbain

Le séisme de magnitude 6.9 de Loma Prieta dans la région de la baie de San Francisco a donné une leçon frappante sur la vulnérabilité des terrains remplis. Le district de Marina, construit sur un remplissage hydraulique placé après le tremblement de terre de 1906, a subi une liquéfaction importante, y compris des ébullitions de sable, des fissures de sol et des dommages à la construction.

Les tremblements de terre de Canterbury en 2010 et en 2011 : propagation latérale généralisée

Le séisme de masse 7.1 de Darfield en septembre 2010 et le choc de masse dévastateur de Christchurch 6.3 en février 2011 ont liquéfié de vastes zones des plaines de Canterbury, en particulier dans la banlieue est de Christchurch construite sur de jeunes dépôts alluviaux et d'anciens canaux fluviaux. L'expansion latérale le long de la rivière Avon a causé des dommages considérables aux ponts, aux routes et aux infrastructures enfouies. Environ 70 000 propriétés résidentielles ont été touchées et de vastes zones de terres ont nécessité une évaluation géotechnique avant d'être rénovées.

Évaluation technique et prévision du danger de liquéfaction

Méthodes empiriques simplifiées

Les ingénieurs utilisent couramment des procédures empiriques simplifiées[ pour évaluer la susceptibilité à la liquéfaction.Ces méthodes, initialement développées par Seed et Idriss dans les années 1970 et affinées en permanence depuis, comparent la demande sismique, exprimée en tant que rapport de contrainte cyclique (RSC), à la capacité du sol, exprimée en rapport de résistance cyclique (RRC).Les mesures de résistance à la pénétration sur le terrain faites à partir des tests standard de pénétration (SPT) ou de pénétration sur cône (CPT) servent de facteurs de départ pour estimer le CRR.Ces méthodes simplifiées ont été validées par rapport aux observations sur le terrain faites à partir de nombreux tremblements de terre et constituent la base de la plupart des codes de conception dans le monde, y compris ceux des États-Unis, du Japon, de la Nouvelle-Zélande et de l'Europe.

Essais de laboratoire avancés

Pour les projets à haute conséquence, les ingénieurs géotechniques effectuent des essais triaxiaux cycliques et des essais de cisaillement simples cycliques [ sur des échantillons de sol non perturbés pour mesurer directement la résistance du matériau à la liquéfaction. Lors d'un essai triaxial cyclique, un échantillon de sol cylindrique est soumis à des charges axiales cycliques, alors qu'il est confiné sous une pression constante, simulant les conditions de contrainte pendant un tremblement de terre.

Modélisation numérique

Des modèles d'éléments finis et de différences finies[ peuvent simuler la réponse couplée des squelettes de sol et des fluides poreux pendant les tremblements de terre. Des programmes tels que FLAC, OpenSees et PLAXIS permettent aux ingénieurs de modéliser des profils complexes de sol, des stratigraphies en couches et des propriétés spatialement variables.Ces analyses peuvent prédire le développement d'une pression interstitielle excessive, le début de la liquéfaction et les déformations résultantes du sol et des structures.

Techniques d'atténuation et d'assainissement

Méthodes d'amélioration au sol

Les ingénieurs ont développé une série de techniques d'amélioration du sol pour réduire la susceptibilité à la liquéfaction aux sites existants et nouveaux. L'approche la plus courante est la densification, qui augmente la densité relative des sols lâches, les rendant plus résistants à la perte de résistance. Le compactage dynamique profond, en utilisant un poids lourd tombé d'une grue, densifie les dépôts granulaires lâches à des profondeurs de 5 à 12 mètres. La Vibroflotation, qui utilise une sonde vibrante pour compacter le sable environnant tout en ajoutant le remblayage, peut obtenir des résultats similaires.

Systèmes de drainage

Comme la liquéfaction nécessite l'accumulation d'une pression interstitielle excessive, les voies de drainage peuvent réduire ou éliminer le danger. Les drains verticaux sont installés pour créer des voies de débit préférentielles qui permettent à l'eau de s'échapper du sol agité, réduisant ainsi la pression interstitielle. Les drains rigides, comme les colonnes de pierre ou les drains verticaux préfabriqués avec des matériaux de renforcement, combinent le drainage avec le support structurel. Ces systèmes sont les plus efficaces lorsque le sol environnant est perméable et la durée du tremblement est suffisamment longue pour permettre un drainage partiel pendant les tremblements.

Solutions de la Fondation

Dans les cas où l'amélioration du sol est peu pratique, les ingénieurs peuvent concevoir des fondations pour tenir compte des effets de la liquéfaction. Les fondations profondes, comme les pieux, les puits forés ou les caissons qui s'étendent à travers la couche liquéfiable vers des couches de roulement compétentes ci-dessous, peuvent transférer des charges structurales vers un sol stable. Toutefois, les fondations profondes doivent tenir compte de la friction cutanée négative qui se développe comme le tassement du sol traîne vers le bas sur le puits du pieux, et doivent aussi résister aux charges latérales de la propagation du sol ou de l'écoulement latéral. Les fondations mat[ ou les fondations radides[ qui distribuent des charges sur une grande zone peuvent réduire les différentiels de colonisation et améliorer la stabilité, même si elles n'éliminent pas entièrement le risque.

Déversements et sélection du site

Pour les nouvelles constructions dans des zones à fort potentiel de liquéfaction, l'assèchement[ pour abaisser le tableau des eaux souterraines sous des profondeurs critiques peut éliminer la condition de saturation requise pour la liquéfaction.Cette approche est plus pratique lorsque la nappe phréatique est peu profonde et que le volume d'eau à enlever est gérable.Dans certains cas, des systèmes de drainage permanents sont installés sous les bâtiments pour maintenir le niveau des eaux souterraines supprimé.

Codes du bâtiment et cadres réglementaires

Les codes modernes de construction dans les régions sujettes aux tremblements de terre comportent des exigences spécifiques en matière d'évaluation et d'atténuation de la liquéfaction.Code international du bâtiment (IBC)[ aux États-Unis, le Code national du bâtiment du Canada[ et l'Eurocode 7 en Europe comprennent toutes des dispositions qui exigent des études géotechniques pour évaluer le potentiel de liquéfaction et prescrire des mesures d'atténuation lorsque des dangers sont identifiés.

Au-delà des codes de construction, les approches de conception axées sur la performance sont de plus en plus utilisées pour les grands projets, définissant des limites de déformation au sol précises plutôt que simplement en évaluant si la liquéfaction se produira.Ce changement reconnaît que la liquéfaction limitée avec des déformations tolérables peut être acceptable pour certaines structures, tandis que d'autres structures nécessitent une protection complète.

Changements climatiques et considérations futures

Le changement climatique introduit de nouvelles dimensions pour l'évaluation des risques de liquéfaction. L'élévation du niveau de la mer et l'augmentation de la fréquence des ondes de tempête peuvent élever les nappes phréatiques dans les zones côtières, en élargissant les zones de saturation qui sont des conditions préalables à la liquéfaction. Dans les régions où le pergélisol est en train de dégeler, les sols précédemment gelés et stables qui sont saturés d'eau de fonte peuvent devenir vulnérables à la perte de force lors des tremblements de terre futurs.

L'expansion des villes dans ces régions, combinée à l'accroissement de la densité de population dans les régions sismiques actives, signifie que les conséquences des futurs événements de liquéfaction continueront de croître, à moins que les mesures d'atténuation ne suivent le rythme. La recherche sur de nouveaux matériaux d'amélioration du sol, y compris les techniques de biominéralisation qui utilisent des microorganismes pour cimenter les particules du sol, offre des voies prometteuses pour une amélioration plus durable et moins invasive à l'avenir.

Conclusion

La liquéfaction est un processus complexe, physiquement motivé, qui a des implications profondes pour la sécurité des tremblements de terre et la résilience des infrastructures. Au cœur du phénomène, il résulte de l'interaction entre la charge sismique cyclique, la densité du sol, la teneur en eau et les conditions de drainage. Lorsque ces facteurs s'alignent, le sol qui était autrefois solide peut perdre toute sa force efficace, produisant des effets allant d'un règlement subtil à une défaillance catastrophique du débit.

Pour les propriétaires et les promoteurs qui planifient de nouveaux projets dans des zones sismiques actives, investir dans des études géotechniques approfondies et, le cas échéant, l'amélioration du sol ou la conception de fondations spécialisées ne constitue pas une dépense discrétionnaire, mais une exigence fondamentale pour protéger la vie et les biens.