La liquéfaction des sols sous l’effet de séismes

La liquéfaction des sols concerne le plus souvent des couches de sol mou à dominante sableuse et saturé en eau. Elle se manifeste par une perte de résistance brutale qui, dans des circonstances défavorables, peut dégénérer en une rupture catastrophique.

Les séismes sont à l’origine de la plupart des désordres liés à la liquéfaction des sols lesquels apparaissent comme des phénomènes induits en matière de risque sismique.

Les sols les moins résistants sont les plus vulnérables. Le risque est accentué en présence de mouvements forts.

La liquéfaction des sols sous séisme est connue pour être à l’origine de tassements ou de ruptures de fondations superficielles et de fondations profondes ayant mis en péril les structures portées, bâtiments et ouvrages d’art. La liquéfaction des sols se trouve aussi à l’origine de l’endommagement ou de la destruction d’ouvrages en terre (remblais, murs, digues, barrages) et d’ouvrages portuaires (quais, terre-pleins).

Enfin, les faibles pentes situées aux abords de plans d’eau (mer, lacs) et de rivières se sont souvent révélées vulnérables à ce phénomène et le théâtre de ruptures catastrophiques.

Cette présentation de la liquéfaction des sols se fonde sur les observations post-sismiques de terrain. Elle est trop vague pour être utilisable devant la diversité des situations rencontrées, mais elle recèle les principaux aspects du problème.

La perte de résistance au cisaillement du sol, vu ici comme le passage du sol d’un état solide à un état liquide, se rapporte au comportement mécanique du sol et elle relève des principes de base de la mécanique des sols. À ce titre, le phénomène de liquéfaction des sols a pu être reproduit en laboratoire, ce qui a permis une interprétation des mécanismes en jeu et du rôle des facteurs qui les contrôlent. Ces facteurs sont nombreux, à commencer par :

• la nature du sol (sable, limon, argile) ;

• sa compacité ;

• ses propriétés physiques ;

• les conditions de site, etc.

Ces différents aspects feront l’objet d’un premier paragraphe où il va être indiqué que diverses définitions ont été données de la liquéfaction des sols et de ses effets, suivant que l’on s’intéresse aux observations de terrain, au comportement des ouvrages ou aux essais de laboratoire.

En matière de risque sismique, la liquéfaction des sols constitue un véritable danger pour les constructions concernées. La volonté de réduire la vulnérabilité des constructions passe, pour commencer, par l’amélioration des connaissances du phénomène et le développement de méthodes d’évaluation du risque.

À ce titre, le second paragraphe vise à situer le phénomène de liquéfaction des sols dans le cadre plus général du comportement dynamique des sols. Les principes qui s’en dégagent sont inscrits dans les méthodes de reconnaissances géotechniques des sites, qui sont conduites au moyen d’essais in situ ou d’essais de laboratoire, en vue de mesurer les paramètres pertinents du problème dans les projets de construction. La résistance cyclique du sol constitue le premier de ces paramètres. Des détails sont fournis sur ces diverses méthodes.

Les démarches en usage pour prendre en compte la liquéfaction des sols dans les projets de construction sont exposées au paragraphe trois. Cela concerne les ouvrages neufs ou les ouvrages existants. Ces démarches se déroulent par étapes successives d’évaluation du risque, de quantification des données géotechniques et sismiques, puis de conception des ouvrages en lien avec les mécanismes de rupture à prévenir, en prévoyant ou pas un traitement des sols.

Ces démarches sont encadrées par les réglementations en vigueur, dont l’élaboration répond aussi à la volonté de réduction de la vulnérabilité des constructions.

La susceptibilité du sol à la liquéfaction concerne le comportement mécanique du sol, sa résistance notamment, et elle implique diverses propriétés physiques et mécaniques du sol, pour constituer un sous-ensemble de paramètres dont la connaissance est nécessaire à l’évaluation du risque de liquéfaction de la couche de sol. Ces notions sont reprises et détaillées au paragraphe quatre, en évoquant les critères en usage pour départager les sols sensibles ou non sensibles.

Pour un site donné, les problèmes de liquéfaction des sols sous séisme mettent en balance les caractéristiques du mouvement sismique à l’échelle du site (amplitude, durée) avec la résistance cyclique du sol. Le chapitre cinq présente une méthode simplifiée qui consiste à comparer la contrainte de cisaillement induite par le mouvement sismique dans la couche de sol avec la résistance au cisaillement cyclique du sol.

Le sol est liquéfiable si la contrainte induite est plus grande que la résistance. Des détails sont indiqués sur la mise en œuvre de cette méthode historique qui a vu le jour dans les années 1970.

Depuis, les méthodes dédiées à l’analyse des problèmes de liquéfaction des sols se sont enrichies avec l’amélioration des connaissances du comportement cyclique des sols et l’évolution des moyens techniques pour l’identification des sols liquéfiables et la conception des projets. Des indications sont données dans la suite du chapitre cinq quant à ces nouvelles méthodes d’évaluation des effets de la liquéfaction des sols.

Enfin, devant les enjeux de préservation des constructions, la réduction du risque de liquéfaction ne peut se concevoir sans envisager de traiter les sols pour les rendre moins vulnérables. Le paragraphe six fournit quelques indications sur les techniques employées pour constituer les dispositifs de prévention contre la liquéfaction.