Journées Nationales de Géotechnique et de Géologie de l’Ingénieur JNGG2014 – Beauvais 8-10 juillet 2014

LE TRAITEMENT CONTRE LA LIQUEFACTION DES SOLS EN FRANCE METROPOLITAINE

LIQUEFACTION MITIGATION IN CONTINENTAL FRANCE

Stéphane BRULE1, Emmanuel JAVELAUD1

1 MENARD, NOZAY, FRANCE

RÉSUMÉ — L'évolution du contexte réglementaire des métiers de la construction

stimulée par les Eurocodes et le zonage sismique de la France se traduit par une

évolution de l'analyse du potentiel de liquéfaction des sols. Pour un projet donné, le

seul changement réglementaire de zone sismique peut se traduire par la nécessité

de prendre en considération un aléa liquéfaction. Cet article présente une synthèse

des observations post-sismiques sur les phénomènes de liquéfaction décrits lors du

séisme exceptionnel de magnitude 9 de Tohoku au Japon en 2011 ainsi qu'un retour

d'expérience sur deux projets à risque normal situés en France Métropolitaine pour

lesquels l'aléa a été suspecté en cas de séisme, caractérisé par sondages

géotechniques adaptés puis, traité par une technique choisie d'amélioration de sol.

ABSTRACT — The new regulatory framework that came into application together

with the utilization of the Eurocodes and the french seismic hazard map also implies

an upgrade of the liquefaction evaluation procedures. For a given project, the change

of the seismic zone can impose to take into account the soil liquefaction hazard. This

paper proposes a summary of soil liquefaction post-seismic observations following

the gigantic Mw 9.0 off the Pacific Coast of Tohoku Earthquake in 2011. We share

our experience feedback for two worksites in Continental France, for which the soil

liquefaction was suspected. Specific site investigation was realized first to design the

ground improvement treatment.

1. Introduction

Pour les ouvrages à risque normal, les critères et méthodes d'évaluation du potentiel

de liquéfaction des sols en France ont évolué récemment sous l'effet d'un triple

changement : législatif (JO, arrêté du 22 octobre 2010; décret n°2010-1254; arrêté

du 25 octobre 2012), de code de dimensionnement technique avec l'application des

Eurocodes (NF EN 1998-1, 3 et 5), et de par l'utilisation d'une nouvelle carte

délimitant les zones de sismicité du territoire (JO, décret n°2010-1255). Ces textes à

caractère réglementaire ont, par exemple, été complétés par le Guide Technique des

procédés d'amélioration et de renforcement des sols sous actions sismique (Collectif,

2012). Ce Guide, fournit notamment des informations sur les possibilités d'interaction

du signal sismique entrant avec le sol susceptible de se liquéfier : augmentation de la

résistance au cisaillement des sols par réalisation d'inclusions cylindriques (en béton,

en ballast, etc.) ou par densification, de cellules (figure 2) à base de "murs" ou

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panneaux verticaux (en béton ou béton de sol) se recoupant, de drainage vertical.

Chacun de ces modes d'action peut être combiné avec l'un ou plusieurs d'entre eux

(figure 1). Pour des ouvrages tels que des maisons existantes, des solutions à base

de drains en plastique placés verticalement dans le sol, et autour des existants,

commencent à être regardées au stade des essais sur modèles réduits en

centrifugeuse (Tokimatsu et al., 2013).

Figure 1. Principe de traitement des sols contre la liquéfaction. a) Densification des

sols dans la masse par compactage dynamique ou vibro-compactage. b) Réalisation

d'inclusions rigides verticales. c) Drainage vertical par colonnes ballastées. d)

Solution mixte de renforcement par éléments verticaux rigides et drainage vertical

par colonnes ballastées.

Figure 2. Principe de réalisation de cellules dans le sol, ici avec des colonnes de sol-

mixing pour augmenter la résistance au cisaillement des sols lors de séisme (Uchida

et al. 2012).

Dans cet article, nous examinons le retour d'expérience post-sismique formulé par

des auteurs japonais après le séisme de Tohoku 2011. Cette synthèse d'articles

permet de souligner la nature des sols (anthropiques ou naturels) ayant fait l'objet de

désordres visibles suite à ce séisme exceptionnel. Ensuite, nous revenons dans les

conditions de sismicité moins exacerbées de la France Métropolitaine avec une

analyse critique de deux situations réelles rencontrées lors de chantier de

a

)

b

)

c

)

d

)

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renforcement de sol. Ces deux exemples permettent d'illustrer l'évolution des

conditions d'exercice de l'ingénierie géotechnique, notamment en termes de

programme d'investigations et d'analyse des données puis de définition des solutions

de traitement.

2. Retour d'expérience sur les phénomènes de liquéfaction des sols au Japon

lors du séisme de Honshu en 2011

Les observations réalisées lors de séismes récents peuvent apporter un éclairage

sur les phénomènes tels que la liquéfaction des sols lors de sollicitations sismiques

ainsi que sur la nature des sols propices à l'occurrence de ce phénomène.

Lors du séisme de Honshu (11 mars 2011 ; 2011 Off the Pacific Coast of Tohoku

Earthquake) au Japon, les observations ont montré que le phénomène de

liquéfaction s'est principalement produit dans les zones de polder récemment

gagnées sur la mer ou sur les plaines alluviales. Ce sont des zones constituées de

dépôts sableux peu denses, avec un haut niveau de la nappe et qui, sous l'action de

fortes sollicitations sismiques, peuvent présenter un phénomène de liquéfaction

(Imakiire, 2012). C'est en particulier le cas dans la baie de Tokyo où les sols se sont

liquéfiés en de nombreux endroits comme le montre par exemple la reconnaissance

post-sismique menée par Tokimatsu et al. (2012a et b).

Bien que des phénomènes de liquéfaction se soient produits dans la région de Tokyo

lors des séismes précédents de 1923 et 1987, le séisme de 2011 est le premier à en

avoir générés sur des zones aussi vastes (Yasuda et al., 2012).

Les accélérations enregistrées dans la région de la baie de Tokyo n'ont pas dépassé

3 m/s² (Yasuda et al., 2012). Ce sont des valeurs d'accélération proches des

accélérations maximales de dimensionnement comparables avec celles en France

continentale pour le dimensionnement d'ouvrages à risque normal (ag x S= 2,6 m/s²

pour une zone de sismicité 4 où agr = 1,6 m/s², pour une classe de sol E où le

paramètre de sol S= 1,8 et pour un bâtiment ayant un coefficient d'importance de II).

Comparée aux séismes précédents, la durée de la sollicitation sismique du séisme

de 2011 a été particulièrement longue du fait de la taille exceptionnelle de la surface

de rupture (~500 km x 200 km), de l'ampleur du mouvement co-sismique le long de

la zone de rupture, (Imakiire et al., 2012) et de larges répliques s'étant produites peu

après le séisme principal. Cette durée très longue de la sollicitation sismique a

généré un nombre de cycles de chargement cycliques particulièrement important et a

conduit à la liquéfaction des sols (Unjoh et al., 2012).

En France, le Guide Technique des procédés d'amélioration et de renforcement des

sols sous actions sismique (Collectif, 2012) précise, adapté à notre contexte et aux

séismes attendus, le nombre de cycles équivalent et la durée de séisme à

considérer.

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3. Les études de liquéfaction en France selon le nouveau référentiel

réglementaire

L'interdépendance entre les différents Eurocodes et les textes nationaux désormais

publiés demande un temps suffisant de pratique pour apprécier la portée de ces

nouveaux outils. Le retour d'expérience de l'analyse du potentiel de liquéfaction des

sols et du dimensionnement de traitements anti-liquéfaction conformément à ce

nouvel ensemble de textes est très récent, mais permet déjà d'en dégager les

principales idées fortes.

La norme EN 1998 demande d'améliorer les sols susceptibles de se liquéfier sous

séisme y compris en cas de choix de fondations profondes.

3.1. Pratique de l'analyse du potentiel de liquéfaction des sols

L'analyse du potentiel de liquéfaction des sols selon le nouveau référentiel est

facilitée car les différentes hypothèses à retenir sont désormais spécifiées quasi

exhaustivement. Par ailleurs, le Guide Technique des procédés d'amélioration et de

renforcement des sols sous actions sismique (Collectif, 2012) propose des méthodes

de calcul détaillées à utiliser pour chaque étape de l'analyse. A ce titre, il faut

mentionner l'effort particulier de synthèse fait par les auteurs de ce guide.

Pour l'analyse du potentiel de liquéfaction des sols, un point fondamental est de

considérer un niveau de la nappe ainsi qu'un niveau de la surface du sol approprié.

L'Eurocode 8-5 (§4.1.4.(2)P) indique précisément que l'étude de la susceptibilité des

sols à la liquéfaction "doit être effectuée pour les conditions de site en champ libre

(niveau de la surface du sol, niveau de la nappe phréatique), prédominantes durant

la vie de la structure."

3.2. Effet du nouveau référentiel à proximité de projets existant

La réalisation de nouveaux projets à proximité immédiate d'existants pour lesquels

une analyse de liquéfaction avait été faite conformément au précédent référentiel

législatif et technique est particulièrement riche d'enseignements.Dans certains cas,

un traitement anti-liquéfaction peut être désormais rendu nécessaire pour augmenter

le coefficient de sécurité vis-à-vis du risque de liquéfaction alors que celui-ci était

précédemment suffisant.

Pour ces projets, l'analyse faite suivant le nouveau référentiel montrera souvent un

coefficient de sécurité inférieur mais proche de celui requis. Dans ce cas, un

renforcement par inclusions de type colonnes ballastées ou inclusions rigides peut

suffire pour augmenter suffisamment le coefficient de sécurité vis-à-vis du risque de

liquéfaction et le rendre conforme à la nouvelle réglementation.

3.3. Cas de projets nouveaux

Pour les nouveaux projets pour lesquels le coefficient de sécurité vis-à-vis de la

liquéfaction est significativement inférieur à celui recherché, le simple renforcement

de sol par colonnes ballastées ou inclusions rigides ne mènera pas dans le cas

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général à une augmentation importante du coefficient de sécurité. Des solutions

d'amélioration des sols dans la masse par compactage dynamique ou

vibrocompactage, ou bien de drainage par colonnes drainantes, peuvent être

envisagées. Des recommandations concernant le dimensionnement de cette

dernière méthode sont données dans le Guide Technique des procédés

d'amélioration et de renforcement des sols sous actions sismique (Collectif, 2012),

en particulier le nombre de cycles équivalent, la durée du séisme à retenir et la

méthode calculatoire préconisée.

4. Exemples de chantiers réalisés en France Métropolitaine pour le traitement

contre la liquéfaction des sols.

4.1. Caractéristiques des sites à l'étude

Nous présentons deux situations de chantier pour lesquelles le traitement contre la

liquéfaction a été requis. Pour des raisons de confidentialité, les chantiers ne sont

pas cités hormis leur localisation géographique à l'échelle communale : Morteau

(Doubs) et Vienne (Isère). Pour les deux sites, il s'agit de bâtiments de type industriel

ou commercial, exposés à un niveau de sismicité 3, modéré, selon le nouveau

zonage français. Dans les ceux cas, il s'agissait de bâtiment de catégorie II selon la

norme EN 1998, ce qui conduit à retenir une accélération maximale de surface de

1.6 m/s2. La magnitude retenue est prise égale à 6.

Ces deux sites ont du faire l'objet d'une analyse géotechnique complémentaire à

base de sondages au pénétromètre statique avant le démarrage des travaux pour

caractériser plus précisément l'aléa liquéfaction. Le maillage initial, voire complété

d'un maillage secondaire, fût compris, in fine, entre 500 et 2000 m2 de surface

construite pour un sondage de reconnaissance de type essai au pénétromètre

statique.

Pour le site de Morteau, les reconnaissances ont permis de mettre en relief des

lentilles sableuses situées entre -3.0 et -7.0 m de profondeur, sans véritable

continuité entre elles et intercalées dans des sols limono-sableux. Pour le site de

Vienne, les sols identifiés comme suspects par les études géotechniques étaient de

consistance sableuse fine, continus latéralement, avec une localisation entre -2.0 et -

7.5 m de profondeur.

4.2. Evaluation du potentiel de liquéfaction

Pour l'étude du risque de liquéfaction, nous avons employé des méthodes basées

sur des corrélations entre mesures in situ et contrainte de cisaillement critique sur

des sites ayant ou non liquéfié. Celles–ci sont détaillées dans l'annexe B de l'EN

1998-5. L'EN 1998-5 (§4.1.4 (11) P) impose un coefficient de sécurité minimal de

1.25 entre le taux de résistance au cisaillement cyclique du sol (CRR) et le taux de

contrainte cyclique engendré par le séisme (CSR). L'évaluation du potentiel de

liquéfaction a été menée sur la base d'essais au pénétromètre statique ou Cone

Penetration Test (CPT) en anglais.

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4.3. Résultats des essais CPT avant traitement

Pour la définition du programme contre le phénomène de liquéfaction des sols, la

figure 3 présente le facteur de sécurité calculé à partir de la procédure définie en

§4.2. La valeur minimale du facteur de sécurité selon la norme EN 1998 est de 1.25,

elle est représentée par une droite verticale bleue sur les graphes de la figure 3. La

courbe variable est la valeur calculée du coefficient de sécurité sur la base des

enregistrements des essais au pénétromètre statique.

Figure 3. Etude du potentiel de liquéfaction des sols avant travaux. A gauche : site

de Vienne. A droite : site de Morteau. La courbe représente la variation du coefficient

de sécurité (sans unité) en abscisse en fonction de la profondeur (m) en ordonnée.

Les deux droites verticales représentent respectivement les coefficients de sécurité 1

et 1.25.

Ces études préalables visant à caractériser le potentiel de liquéfaction pour des

bâtiments de catégorie II en zone sismique 3 soulignent que les sols pour lesquels

nous définissons des coefficients de sécurité inférieurs à la valeur minimale de 1.25,

sont des sols naturels et non des remblais comme ceux majoritairement décrits dans

le retour d'expérience du séisme de Honshu en 2011. Pourtant, la valeur

d'accélération considérée pour les deux sites français se situe dans la gamme basse

de la plage de variation de ce paramètre.

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Pour le site de Vienne, presque la totalité de la couche suspectée présente un

coefficient de sécurité inférieur à 1.25 tandis qu'à Morteau, il s'agit plutôt de passées

centimétriques avec des valeurs de coefficient de sécurité parfois très inférieures à

l'unité. Pour ce second site, la non-continuité de ces niveaux moins résistants

pourrait conduire à ne pas envisager le traitement anti-liquéfaction. Cependant, une

campagne de sondages complémentaires en inter-maille de la première campagne a

plutôt confirmé des lentilles d'extensions significatives par rapport à la surface

construite. Le traitement a ainsi été maintenu.

Ces deux sites présentent une potentialité de liquéfaction sous l'effet d'un séisme

caractérisé par les mêmes paramètres réglementaires mais la manifestation du

phénomène ne serait pas comparable. La perte de portance induite et les

tassements en surface seraient plus préjudiciables sur l'ouvrage pour le cas du

chantier de Vienne en raison de la plus grande épaisseur de sol concernée par la

liquéfaction.

4.4. Choix des traitements

Les deux sites ont fait l'objet d'un traitement à base d'inclusions verticales dans le sol

car les sols suspects ne présentaient pas assez de garanties granulométriques pour

répondre aux critères de densification dans la masse (taux en fine supposé trop

élevé, etc.).

Ces inclusions sont constituées de ballasts. Les effets stabilisateurs apportés par les

colonnes de graves peuvent être : une amélioration du module de cisaillement

équivalent donc diminution du taux de contrainte cyclique engendré par le séisme

(CSR), une densification du sol environnant donc augmentation du taux de

résistance au cisaillement cyclique du sol (CRR) et une dissipation des surpressions

interstitielles par drainage.

Cependant, si le premier effet peut exister, il n'est pas nécessairement suffisant pour

obtenir un coefficient de sécurité acceptable, c'est-à-dire supérieur à 1.25. En effet,

le module de cisaillement longitudinal homogénéisé du sol composite (sol et

colonnes) obtenu après traitement n'est que de quelques pourcents supérieur à celui

du sol initial, pour le cas de colonnes de graves selon des maillages carrés de côté

2.5 et 3.0 m. Si le coefficient de sécurité est très inférieur à 1.25, l'obtention de

l'objectif souhaité est faiblement envisageable. En revanche, si le sol peut être

amélioré entre les colonnes lors de la réalisation de celles-ci, et pour cela, il convient

de le vérifier par des essais géotechniques in situ, alors cet effet peut être pris en

considération pour le calcul du module de cisaillement homogénéisé (méthode de

Hashin, Collectif, 2012). C'est cette approche qui a été retenue sur le chantier de

Vienne avec un traitement sur toute la hauteur de sol suspect de liquéfaction par des

colonnes de 0.6 m de diamètre en maille 2.9 x 2.9 m.

Quant au site de Morteau, c'est essentiellement les propriétés de drainage des

colonnes qui ont été retenues pour dimensionner le maillage retenu (maille de 3 x 3

m, diamètre 0.6 m). En effet, même si les passées sableuses à traiter étaient de

faibles épaisseurs, le coefficient de sécurité avant traitement était parfois trop faible

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pour envisager une amélioration significative du module de cisaillement par une

approche d'homogénéisation.

5. Discussion et conclusions.

L’objectif d’harmonisation des documents techniques à l'échelle européenne se

concrétise par la mise en application des Eurocodes.

Le retour d'expérience du récent séisme de Honshu de 2011 montre en particulier

qu'une attention spécifique doit être portée aux sols d'origine anthropique dans la

l'étude du potentiel de liquéfaction des sols. En France, l'évolution du référentiel

réglementaire peut générer des situations où un traitement anti-liquéfaction devient

nécessaire au droit de projets où il ne l'aurait pas été jusque-là. Les sites d'étude

cités dans cette communication (zone de sismicité 3, catégorie d'importance du

bâtiment 2), illustrent cette évolution. Les premiers retours d'expérience pour des

ouvrages dits à risque normal montrent que les situations où la liquéfaction est

suspectée, ne sont pas encore assez examinées en amont des projets. Pourtant, la

prise en compte tardive d'un traitement des sols au droit du projet peut impacter son

économie si ce n'est son avènement lui-même en phase exécution des travaux.

Cependant, les études spécifiques à base de sondages adaptés et d'études plus

spécifiques à la liquéfaction, comme celles décrites dans cet article, sont en mesure

de mieux qualifier et borner le phénomène suspecté. Les effets "stabilisateurs"

pouvant être apportés par les différentes techniques de traitement des sols méritent

d'être hiérarchisés selon le contexte géotechnique.

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Journal Officiel. Arrêté du 25 octobre 2012 modifiant l'arrêté du 22 octobre 2010 relatif à la

classification et aux règles de construction parasismique applicables aux bâtiments de la classe

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