Tassement Et Liquéfaction

Tout sol soumis à l‘application de contraintes extérieurs (remblais, fondations et son propre poids) subit une déformation verticale : le tassement. Le sol étant en grande partie composé de vide, ainsi par réarrangement de ses particules, on observe une diminution du volume du sol concerné, ceci s’appelle la compressibilité du sol. 

   

Tassement des sols grossiers
Dans des sols de type grenus, le tassement du aux charges des structures ou des bâtiments est un phénomène rapide, voire quasi immédiat. En effet, les réarrangements entre les grains de sol, s’effectuent aussitôt que les charges sont appliquées. Les tassements ainsi obtenus sont généralement considérés comme un comportement quasi élastique. 


Tassement des sols fins

Par contre, les mêmes charges appliquées à des sols cohérents à grains fins et saturés (argiles, limons,…), vont provoquées un tassement à plus long terme. En effet, l’eau présente dans le matériau mettra beaucoup de temps à être évacuée. Elle subira d’abord un phénomène de surpression avant de s’évacuer par les pores du sol et de permettre à la structure du terrain de se déformer. Ces tassements à long terme des sols cohésifs sous des charges constantes, sont appelés tassements de « consolidation » (figure suivante). 

Courbe de consolidation d'un sol

Les sols fins présentent une faible perméabilité, par conséquent l’évacuation des pressions interstitielles est un processus très lent,

qui peut s’étendre sur une durée relativement importante selon la distance à parcourir. Pour exemple, un sol composé de 10m d’argile saturée mettra environ 30 ans à tasser sous une surcharge.

Sols fins

  Les dépôts de sols fins mous et compressibles (argiles, vases) sont fréquents dans les vallées ou le long des côtes. Ce sont des zones qui sont maintenant utilisées couramment pour tous types d’ouvrages (maison individuelle, bâtiment industriel, génie civil,…). 

Il est donc important de connaitre les principes de comportement des sols fins, mous et compressibles, afin de trouver des solutions adaptées pour mener à bien les ouvrages concernés.

Indépendamment du risque de retrait-gonflement du à leur variations de volume (surtout pour les teneurs en argiles élevées), les sols fins posent de nombreux problèmes de tassement. En effet, ils ont souvent des teneurs en eau relativement élevées, ce qui cause des complications de compressibilité.

Pour les sols fins, une réserve s’impose, une augmentation de compacité pouvant, pour des teneurs en eau élevées, entraîner une diminution brusque de la portance et du module de déformation.

Sols grossiers

   Contrairement à ce qui se passe dans le cas des sols fins, la perméabilité élevée des sols grenus fait que l’on n’observe des augmentations des pressions interstitielles dans ces sols, que dans le cas de la liquéfaction, généralement provoquée par des sollicitations sismiques. Les problèmes de sols grenus sont donc essentiellement des problèmes d’amplitudes de tassement, ainsi que des problèmes de résistance à la liquéfaction (principalement dans les sables lâches).

   Plusieurs observations ont été vérifiées par des études. De cette façon, on sait que la compressibilité des sols grenus n’est due qu’à la compression du squelette solide. Les tassements dans ces sols sont quasi instantanés, ils ont lieu immédiatement au moment de l’application des charges. Les tassements sont les mêmes que le sol soit sec, humide ou saturé. Les déformations dans les sols grenus sont dus à deux causes :

• D’une part, un réarrangement des grains qui provoque une diminution de l’indice des vides. La contractance est la composante irréversible de la diminution de volume du sol soumis au cisaillement, et correspond à un mécanisme de densification de l'empilement granulaire.
• D’autre part, une déformation des grains eux-mêmes sous l’action des forces qui s’exercent à leurs points de contact. La dilatance est la composante irréversible de l'augmentation de volume du sol soumis au cisaillement, et correspond à un mécanisme de désordonnement et de foisonnement de l'empilement granulaire.

Dans les sols grossiers, le phénomène le plus préjudiciable est celui des cas des sables lâches, lœss et  remblais mal compactés. Certains sols sont déformables et sensibles à la liquéfaction.

Liquéfaction des sols

   Le phénomène de liquéfaction des sols meubles lors d'un séisme, plus généralement de vibrations, est un évènement catastrophique. De nombreux et importants sinistres sont ainsi rencontrés. Il est décrit comme le fait que le sol se comporte pendant un court instant à la manière d’un fluide visqueux.

   Ce phénomène est principalement rencontré dans les matériaux sableux saturés, ainsi que les argiles sensibles. Il se produit si le sol est soumis à des sollicitations rapides, telles que les séismes, les raz-de marée, les explosions,...

Sol potentiellement liquéfiable

   La liquéfaction se produit quand la structure d'un sable lâche et saturé se décompose à cause de la sollicitation rapidement appliquée. En effet, sous la sollicitation, les particules du sol ont tendance à se structurer de manière plus dense, en diminuant les vides, qu’à leur état initial. Dans le cas présent, la vitesse de l’évènement ne permet pas à l’eau de s’évacuer, les pressions interstitielles augmentent alors très fortement. Cette augmentation des pressions diminue ainsi les forces de contact entre les particules du squelette du sol, diminuant donc la capacité portante de ce dernier. A cet instant, si de nombreuses particules perdent le contact entre elles, le sol perd toute résistance et se comporte alors plus comme un liquide que comme un solide. Le sol est donc liquéfié. 

   

Les conditions suivantes doivent être vérifiées, à partir des essais en laboratoire, afin de classer un horizon comme liquéfiable :

Pour un sol pulvérulent (sables, sables vasards, limons,…) :

• le sol doit posséder une teneur en eau de 100% ou se situer sous le niveau de la nappe.
• la granulométrie du sol doit être peu étalée, c'est à dire avoir un coefficient d'uniformité Cu<15
• disposer d'un diamètre à 50% tel que 0,05 < D50 < 1,5mm

Pour un sol argileux :

• la granulométrie doit être faible avec un diamètre à 15% < 5 micromètres
• disposer d’une limite de liquidité WL < 35%
• teneur en eau tel que W > 0,9 WL
• le point (WL, Ip) doit se situer au dessus de la ligne A du diagramme de plasticité de CASAGRANDE

Essai granulométrique en laboratoire

Il est donc important de prévoir des essais en laboratoire adaptés afin de pouvoir apporter une réponse certaine au client, et d’écarter ou non le risque de liquéfaction. Pour cela, les essais à mener sont principalement une analyse GTR avec sédimentation, valeur au bleu et teneur en eau, ainsi que la réalisation des limites d’Atterberg.

Plusieurs critères influencent la résistance d’un sol à la liquéfaction :

• Etat de contrainte actuel : la résistance à la liquéfaction augmente avec la contrainte effective verticale. Comme cette dernière croit avec la compacité du sol et que celle-ci augmente avec la profondeur, ceci va provoquer une amélioration de la résistance à la liquéfaction pour les couches profondes (d’après Seed et Peck, 1976)
• Influence de la structure du sol : l'arrangement minimal est obtenu par déversement à sec, sans vibration, et au contraire, l'arrangement maximal est obtenu par vibration sous haute fréquence de l'échantillon déjà humide. On observe que la différence entre les résistances à la liquéfaction est beaucoup plus prononcée pour les contraintes de cisaillements élevées. La liquéfaction instantanée n'est observable que pour les échantillons dont les grains ont subi un arrangement minimal.
• Influence de la saturation : la résistance à la liquéfaction d'un échantillon non saturé est plus élevée que celle d'un échantillon saturé.

Afin de lutter contre ce phénomène dangereux, un règlement français parasismique, le PS 92 et un règlement européen l’Eurocode 8 ont été créé. Ils apportent une définition des règles de construction et traitent, entre autres, des problèmes de liquéfaction.