Le phénomène de liquéfaction des sables peut se produire dans des massifs de sols sableux saturés soumis à une sollicitation rapide, entraînant un comportement transitoire non drainé. Il se manifeste par le développement de surpressions interstitielles élevées et par une diminution des contraintes effectives, ce qui réduit la résistance au cisaillement du sol et peut conduire à une instabilité, accompagnée de grandes déformations voire d’une rupture.

Ce phénomène se développe typiquement dans des massifs de sables lâches saturés soumis à une sollicitation sismique. Il peut alors engendrer des désordres importants affectant les infrastructures et les ouvrages situés en surface, tels que le basculement et l’enfoncement de bâtiments dans les sols de fondation, des glissements et écoulements de grande ampleur, des déplacements latéraux, ainsi que la rupture de digues ou de barrages.

L’évaluation de la résistance à la liquéfaction des matériaux sableux est généralement réalisée en laboratoire à partir d’essais triaxiaux cycliques non drainés, qui permettent de déterminer la résistance au cisaillement cyclique d’éprouvettes de sable saturé.

Toutefois, la sollicitation imposée lors d’un essai triaxial diffère de la sollicitation sismique réelle, laquelle est plus proche d’un cisaillement simple du sol, induit par la propagation des ondes de cisaillement à travers le massif. Il est donc essentiel de relier le comportement observé en essai triaxial cyclique à celui obtenu lors d’essais de cisaillement simple cyclique, également réalisés en laboratoire. Les sols étudiés seront de deux types : un sable propre et un sable mélangé à une fraction fine, tous deux saturés.

Objectifs de la thèse

Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse est de comparer, au laboratoire, les comportements mécaniques observés en essais triaxiaux cycliques et en essais de cisaillement simple cyclique sur des éprouvettes de sable. Des sables de référence, tels que le sable de Fontainebleau et le sable d’Hostun, seront utilisés.

Deux dispositifs expérimentaux permettant de générer des sollicitations de cisaillement simple seront mis en œuvre : l’essai Direct Simple Shear (DSS) et l’essai de cisaillement à la table sismique. Les comportements observés dans ces essais seront comparés à ceux obtenus à l’appareil triaxial cyclique. L’analyse conjointe de ces résultats permettra de mieux comprendre l’influence du type de chargement et d’établir des relations d’équivalence entre les essais de cisaillement simple et les essais triaxiaux cycliques, dans une perspective d’amélioration de l’évaluation du risque de liquéfaction des massifs sableux saturés sous séisme.

Afin de lever ce verrou technologique et d’observer l’influence des effets d’échelle, une table sismique sera utilisée. Une configuration de type cisaillement simple est disponible. L’utilisation d’un container en plexiglas permettra d’étudier les phénomènes de remontées de sol (« volcans de sable ») sous vibrations à des fréquences proches de celles rencontrées lors des séismes. Ces manifestations pourraient notamment être observées dans les matériaux sable–fines, les remontées concernant préférentiellement la fraction fine.

Sur la base des résultats expérimentaux obtenus, une partie du travail sera consacrée à la modélisation du comportement cyclique du sol et des phénomènes de liquéfaction, afin de reproduire les réponses observées pour les deux types de sollicitation (triaxiale et cisaillement simple).

La recherche proposée vise ainsi à mieux comprendre les mécanismes de génération des surpressions interstitielles sous cisaillement simple, et à améliorer l’analyse de l’initiation et du développement de la liquéfaction sous sollicitation sismique.

Ce travail est mené en collaboration entre le laboratoire SRO (département GERS) de l’Université Gustave Eiffel (MM. A. Le Kouby et P. Reiffsteck) et l’équipe Géotechnique du laboratoire Navier (ENPC–UGE–CNRS) (MM. J. Canou et J.-C. Dupla).

Les étapes du travail de thèse

Le travail de recherche est structuré autour de trois phases principales combinant étude bibliographique, campagne expérimentale et modélisation, avec pour objectif d’analyser et de comparer les réponses des sols sableux aux sollicitations cycliques de types triaxial et cisaillement simple.

Phase 1 – Cadre scientifique et mise en place expérimentale (Mois 1 à 12)

La première année sera consacrée à :

• une revue bibliographique approfondie concernant la liquéfaction des sols, les mécanismes de génération des surpressions interstitielles, ainsi que les méthodes d’essais triaxiaux cycliques et de cisaillement simple ;
• la définition des matériaux étudiés (sables de référence et mélanges avec fines), des états initiaux (densité, saturation) et des paramètres de chargement ;
• l’élaboration et la validation des protocoles expérimentaux communs aux différents dispositifs ;
• la prise en main et la calibration des chaînes de mesure.

Les premières campagnes d’essais triaxiaux cycliques seront menées sur sables saturés de référence afin de constituer une base de données initiale sur la résistance cyclique, l’évolution des pressions interstitielles et l’accumulation des déformations.

Phase 2 – Campagnes comparatives en cisaillement simple (Mois 13 à 24)

La deuxième année sera dédiée aux :

• essais de cisaillement simple direct (DSS), réalisés dans des conditions proches des essais triaxiaux (mêmes matériaux, états initiaux et niveaux de contraintes) afin de permettre des comparaisons directes ;
• analyses croisées des résultats DSS – triaxial subissant un chargement cyclique, notamment en termes de critères de liquéfaction, de nombre de cycles à rupture et de modes de déformation ;
• essais sur table sismique en configuration de cisaillement simple, incluant l’utilisation d’un container transparent pour observer les phénomènes macroscopiques de type remontées de sol/dyke (« volcans de sable ») lors de la liquéfaction, en particulier dans les mélanges sable–fines.

Cette phase permettra de caractériser l’influence du type de sollicitation sur les mécanismes de liquéfaction.

Phase 3 – Modélisation et synthèse (Mois 25 à 36)

La dernière phase sera consacrée à :

• la modélisation des essais triaxiaux et de cisaillement simple au moyen de lois constitutives adaptées aux sollicitations cycliques ;
• l’identification et le calage des paramètres à partir des données expérimentales ;
• l’établissement de relations d’équivalence entre les réponses obtenues aux différents types d’essais ;
• la synthèse et l’interprétation globale des résultats dans le cadre de l’évaluation du potentiel de liquéfaction des sols sableux sous séisme.

Enfin, cette période inclura la rédaction du manuscrit de thèse, la valorisation scientifique des travaux (publications) et la préparation de la soutenance.

Références

Benahmed, N., Canou, J., & Dupla, J.-C. (2004). Structure initiale et propriétés de liquéfaction statique d’un sable. Comptes Rendus Mécanique, 332(11), 887–894. https://doi.org/10.1016/j.crme.2004.07.009

Gobbi, S. (2020). Characterization of liquefaction parameters for saturated soil under dynamic loading using laboratory tests and calibration of constitutive laws by numerical modelling. Thèse de doctorat Université Paris-Est, 246p.

Zhu, Z., Dupla, J.-C., Canou, J., & Foerster, E. (2022). Experimental study of liquefaction resistance: effect of non-plastic silt content on sand matrix. European Journal of Environmental and Civil Engineering, 26(7), 2671–2689. https://doi.org/10.1080/19648189.2020.1765198

Zhu, Z., Zhang, F., Dupla, J.-C., Canou, J., Foerster, E., & Peng, Q. (2021). Assessment of tamping-based specimen preparation methods on static liquefaction of loose silty sand. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 143. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2021.106592

Jradi, L., el Dine, B. S., Dupla, J.-C., & Canou, J. (2021). Influence of low fines content on the liquefaction resistance of sands. European Journal of Environmental and Civil Engineering, 1–20. https://doi.org/10.1080/19648189.2021.1927195

Zhu, Z., Zhang, F., Peng, Q., Dupla, J.-C., Canou, J., Cumunel, G., & Foerster, E. (2021). Effect of the loading frequency on the sand liquefaction behaviour in cyclic triaxial tests. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 147, 106779. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2021.106779

Zhu, Z., Zhang, F., Peng, Q., Chabot, B., Dupla, J.-C., Canou, J., Cumunel, G., & Foerster, E. (2021). Developement of an auto compensation system in cyclic triaxial apparatus for liquefaction analysis. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 144, 106707. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2021.106707

Jradi, L., Dupla, J.-C., Seif El Dine, B., & Canou, J. (2020). Effect of fine particles on cyclic liquefaction resistance of sands. International Journal of Geotechnical Engineering, 14(8). https://doi.org/10.1080/19386362.2020.1711555

Valorisation scientifique

Des publications dans des revues scientifiques ainsi que dans des congrès seront effectués au cours du travail de thèse. Une partie des données expérimentales et numériques de ce projet seront publiées sous forme de Datapaper et seront diffusées à la communauté scientifique. Ces travaux de recherche seront utilisés par la profession dans le domaine du comportement des sols sous sollicitations sismiques.

Mots-Clés

direct simple shear test, essai de cisaillement à la table sismique, essai triaxial, sable, mélange sable + sol fin, triaxial, modélisation.