Instabilités de liquéfaction et phénomène de mobilité cyclique dans les sables¹

Liquefaction instabilities and cyclic mobility phenomena in sands

CERMES (centre commun ENPC-LCPC) ENPC, Cité Descartes Champs-sur-Marne 77455 Marne-la-Vallée Cedex 2, France.

Résumé

On présente dans cet article les comportements mécaniques élémentaires qui sont à l’origine des ruptures par écoulement de massifs de sol sableux, souvent spectaculaires et de grande amplitude, connues sous le nom générique de liquéfaction. Après un bref rappel sur le comportement mécanique des sols sous chargement monotone, on décrit le phénomène dit de liquéfaction « statique », instabilité particulière caractéristique des sables lâches (contractants) sous sollicitation monotone non drainée (ou à volume constant). On passe ensuite au cas des sollicitations cycliques en mettant l’accent sur les analogies existant entre comportement monotone et cyclique et en distinguant deux phénomènes distincts, à savoir la liquéfaction « vraie », très similaire à la liquéfaction statique, caractéristique des sables uniquement contractants et la mobilité cyclique, qui se manifeste dans les sables dilatants. Ces deux phénomènes sont contrôlés par des mécanismes différents, et, pour un même sable, l’un ou l’autre des phénomènes peut être initié et se développer sous sollicitation cyclique, en fonction des conditions initiales caractérisant le matériau. On donne finalement quelques éléments relatifs à la recherche d’un cadre conceptuel global qui permettrait de rendre compte des différents comportements non drainés observables sous chargement monotone et cyclique.

Abstract

We present in this paper the elementary mechanical behaviours which are responsible for sometimes very spectacular flow failures of saturated sand masses, known under the generic term of liquefaction. After a brief description of the mechanical behaviour of soils under monotonie loading, we describe the phenomenon known as « static » liquefaction, which is a specific instability characteristic of loose (contractant) sands submitted to monotonic undrained (or constant volume) loading. Then, the behaviour of sand under cyclic loading is examined, showing strong analogies with the monotonie case. Two distinct phenomena, which may be initiated under cyclic loading, are described, called cyclic mobility, characteristic of dilatant states and true liquefaction, characteristic of essentially contracting states. These phenomena are controlled by different mechanisms and, for a given sand, either one may be triggered and develop, in function of the initial conditions of the sand. Finally, elements are given on a possible general framework, which could allow to account, in the same state diagram, for the different undrained behaviours which may be observed under monotonie and cyclic loadings.