Partially saturated soils and liquefaction potential - Effect of suction and stiffness

La liquéfaction des sols granulaires saturés est reconnue comme l’un des phénomènes les plus critiques survenant lors des séismes. Toutefois, les sols naturels présents dans les couches superficielles ne sont que rarement totalement saturés, et l’effet de la saturation partielle sur la réponse cyclique et le potentiel de liquéfaction reste mal compris et nécessite d’être approfondi. En dépit de nombreuses études expérimentales et numériques, la compréhension de l’influence du degré de saturation sur l’évolution de la pression interstitielle et sur le potentiel de liquéfaction des sols soumis à des chargements cycliques demeure incomplète. Cette thèse contribue à clarifier ces points et à établir un modèle prédictif reliant le comportement macroscopique aux conditions microstructurales des sols granulaires non saturés. Cette recherche se concentre sur la caractérisation du potentiel de liquéfaction de sables partiellement saturés, en définissant un seuil d’état dépendant du degré de saturation, noté Srₘᵢₙ, en dessous duquel la liquéfaction ne peut se produire. Des essais expérimentaux ont été menés sur un matériau granulaire de référence, le sable Hostun RF, à l’aide d’un dispositif triaxial cyclique sous chargement imposé en déformation. L’étude couvre un large éventail de densités relatives initiales (Dr), de pressions de confinement (p′) et de degrés de saturation (Sr), afin d’analyser leurs effets combinés sur la réponse cyclique. Une contribution méthodologique significative de ce travail réside dans le recours à un chargement cyclique contrôlé en déformation, plutôt qu’en contrainte. Ce choix met en évidence l’importance cruciale du mode de sollicitation pour l’identification de l’initiation de la liquéfaction dans les sols partiellement saturés. Les résultats expérimentaux montrent que la résistance à la liquéfaction du sable dépend fortement du degré de saturation initial. En conditions saturées, un comportement classique de mobilité cyclique ainsi que les courbes de génération de pression interstitielle ont été observés. Lorsque le degré de saturation diminue, un seuil critique de saturation apparaît, définissant la limite en dessous de laquelle la liquéfaction ne se produit pas, dépendant de la densité relative et de la pression de confinement. L’évolution de la rigidité du sol en petites (Gₘₐₓ et en grandes (GLS) déformations a été analysée tout au long du processus de liquéfaction, en fonction du degré de saturation, de la densité relative et de la contrainte. L’interprétation des essais cycliques dans le cadre du contrôle en déformation a permis de définir un critère de liquéfaction applicable aux sols partiellement saturés. Ce critère prend en compte les effets conjoints de l’amplitude de déformation, de la densité relative et du degré de saturation. Les résultats obtenus ont également permis de calibrer un modèle microstructural décrivant la frontière du domaine liquéfiable dans l’espace tridimensionnel (Dr, Sr, p′). Globalement, cette recherche contribue à faire progresser la compréhension des mécanismes de liquéfaction dans les sols granulaires non saturés en combinant des essais cycliques macroscopiques, un modèle microstructural et une caractérisation de la rigidité. En marge du thème principal de cette thèse, une investigation a été menée sur l’utilisation des granulats de craie dans le cadre du projet du Canal Seine-Nord Europe (SCSNE). Le potentiel de liquéfaction à l’état lâche d’échantillons reconstitués à partir de granulats de craie, ainsi que le comportement de matériaux compactés, éventuellement traités, pour des applications en remblais ont été analysés.