Moyens d'essais de laboratoire pour la caractérisation de la liquéfaction des sols

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1 jfs i10-xxx 22/03/ 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. Liquéfaction Moyens d'essais

2 jfs i10-xxx 22/03/ 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 ε a, la contrainte de cisaillement q (déviateur) et la pression interstitielle u sont enregistrées en fonction du temps t. Les modules d'young E u et les amortissements D sont déterminés à chaque étape. Diapo 4. La courbe contrainte déformation (ε a, q) enregistrée pendant une séquence de cycles est exploitée pour donner le module d'young E u (pente moyenne) et l'amortissement D (aire de la boucle) du sol, qui correspondent à une double amplitude donnée ε a DA de la sollicitation. Ces paramètres E u et D sont reportés en fonction de ε a 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 V s des ondes de cisaillement. Liquéfaction Moyens d'essais

3 jfs i10-xxx 22/03/ Diapo 5. Les essais triaxiaux de liquéfaction se pratiquent en condition non drainée sur plusieurs éprouvettes chargées sous différentes amplitudes q SA de contraintes de cisaillement. La déformation axiale ε a, 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 ε a SA = -5 % en extension. Diapo 6. L'amplitude cyclique q SA est normalisée par la pression moyenne effective de consolidation p c pour obtenir le rapport r r = q SA /2p c. Les couples (N, r r ) dont reportés sur un graphique et la résistance cyclique r re du sol est déterminée pour un nombre de cycles équivalents N e donné par les caractéristiques du séisme de projet. Un facteur de sécurité F s = r re / r se peut être évalué alors, connaissant la sollicitation sismique du site r se. 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-limonoargileux, Liquéfaction Moyens d'essais

4 jfs i10-xxx 22/03/ 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 q t et u 2. 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 q t et f s dans les sables et f s et u 2 dans les limons. Exemple 4, un ensemble sableux ou u 2 = u 0. Dans tous les exemples, q t, f s et u 2 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 = C 74 µm ) et en indice de plasticité I p, ou classifications fondées sur u 2 (et non pas B q ), analyse du comportement de la pointe pénétrométrique et de la vitesse de fonçage, croisement avec d'autres mesures (q t et G max 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. Liquéfaction Moyens d'essais

5 jfs i10-xxx 22/03/ Les résistances des sols sont mesurées au triaxial, résistance en contraintes totales (c cu, φ cu ) et en contraintes effectives (c', φ'). Puis, la méthode opère en deux étapes : à l'étape 1, décomposition de q t et u 2 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 f s et la résistance effective q E = q t u 2 ; 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. Liquéfaction Moyens d'essais

6 Liquéfaction de sols sous séismes Réunion technique du 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 JF Serratrice CETE Méditerranée Aix en Provence 1/14

7 DynTTS Unité triaxiale cyclique asservie 0-10 Hz 1000 kpa Essais mécaniques en laboratoire Essais triaxiaux Instrumentation locale de l éprouvette Deux types d applications Essais 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. 2/14

8 Essai triaxial cyclique Essai triaxial cyclique Courbes en fonction du temps Déformation axiale Déviateur Pression interstitielle La déformation axiale cyclique ε a est imposée La sollicitation est contrôlée en déformation et plusieurs séquences de cycles sont appliquées successivement. Les modules et les amortissements sont déterminés à chaque étape.

9 Essai triaxial cyclique Essai triaxial cyclique Dégradation du module E u et amortissement D en fonction du niveau de déformation Dégradation du module d Young E u Raideur du sol Pente des boucles (ε a, q) Amortissement D Dissipation de l énergie Aire des boucles (ε a, q) Courbe contrainte-déformation Essais à la colonne résonnante Mesures de V s

10 Essai triaxial de liquéfaction N=16 Essai triaxial de liquéfaction Courbes en fonction du temps Déformation axiale Déviateur Pression interstitielle ε a =5% Le déviateur cyclique q est imposé Critères en déformation Nombre de cycles pour atteindre un niveau de déformation donné 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.

11 Essai triaxial de liquéfaction Avant essai Essai triaxial de liquéfaction Résistance cyclique en fonction du nombre de cycles 0,4 Après essai Rupture en extension Résistance cyclique 0,3 0,2 0,1 r se r re limon sable Facteur de sécurité F S F s = r re / r se F s < 1 liquéfaction quasi certaine F s < 1,33 liquéfaction probable 0 N e Nombre de cycles N e nombre de cycles équivalents

12 Essais de laboratoire Essais triaxiaux cycliques Prélèvement Difficultés de prélèvement des sols sableux dans leur état naturel. Intérêt des essais in-situ dans ces terrains. Sollicitations Différences entre les sollicitations triaxiales et les sollicitations en cisaillement simple ou autres. Adéquation avec les sollicitations réelles dans les sites sous séismes Critères de liquéfaction Problèmes 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 argileux Sols peu consolidés, mous et déformables, mais non effondrables. Liquéfaction des argiles? 7/14

13 Essais in-situ Sondages au piézocône Pointe pénétrométrique Principe Connecteur Manchon de frottement Prise de pression d'eau Cône f s u 2 q t Problèmes posés Nombreuses classifications et évolutions de ces classifications, pas de consensus. Propriétés mal connues des sols naturels intermédiaires sablo-limono-argileux. Identification des sols liquéfiables. 8/14

14 Sondages au piézocône Remblai, argile Argile, limon, lits sableux Sous un remblai et hors du remblai

15 Sondages au piézocône Sable, limon Sable Avant et après renforcement par des colonnes ballastées 10/14

16 Evolutions Publications récentes. Cetin et Ozan (2009) Schneider et al. (2008) Kim et al. (2008) Roy (2008) Schneider (2009) Silva et al. (2006) Classification des sols en I p ou C 75 (FC) Classifications des sols en q t /σ v0 u 2 /σ v0 Influence de la vitesse de fonçage q t u 2 Drainage partiel Switch tests Résistance de pointe q t et module de cisaillement G Modélisation du fonçage dans les sols fins Chemins des contraintes effectives

17 Exploitation des piézocônes par analogie avec l essai triaxial 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 c cu φ cu. Etape 1 Décomposition de q t et u 2 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 2 Identification des sols sensibles de faible compacité et peu résistants d après f s et la résistance effective q E = q t - u 2. La méthode tient compte de l effet de la densification des sols sableux sur les résistances au piézocône.

18 Exploitation des piézocônes par analogie avec l essai triaxial Argile, limon, sable Argile, limon, sable et lits sableux Site en Turquie Site en France

19 Moyens d essais pour caractériser la liquéfaction des sols Conclusions Perspectives 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 monotones et cycliques. Développer des méthodes d interprétation «comportementales» (de type chemins des contraintes), pour les essais cycliques notamment. Interprétation des piézocônes Nécessité de croiser les données provenant de différents types d essais (labo, CPTu, V s et autres). Interpréter les données en chemins des contraintes d après les essais triaxiaux. 14/14