[PGRN] [Programme de recherche départemental]

Projet CG38 - PGRN piloté par le laboratoire 3S

Titre du projet

Développement d'un sismopiézocône en tant qu'outil de prévision des risques sismiques dans la région grenobloise

Type d'aléa
Risque sismique
Année

1998

Mots-clés
Risque sismique - Risque de liquéfaction - Prévision - Sismopiézocône
Champs disciplinaires
Géomécanique


1) Organismes et auteurs


Organisme pilote
Laboratoire 3S
Organisme(s) associé(s)
BE SOLEN, bureau de contrôle VERITAS
Coordonnateur
Pierre FORAY (Professeur ENSHMG)
Participants
?


2) Contexte du projet


Site(s) d'étude
Région grenobloise : Grésivaudan (Domène…)
Contexte de l'étude
La prévision du risque sismique au niveau d’un site donné est fonction d’abord de l’aléa sismique régional auquel les sismologues ajoutent les effets de site plus locaux qui peuvent aboutir à des amplifications considérables comme dans le cas de la cuvette de Grenoble. En second lieu, la stratigraphie locale des terrains superficiels a une importance considérable dans leur réponse aux sollicitations sismiques. Il faut en particulier être en mesure de prévoir le risque de liquéfaction des sites sableux ou limoneux. Enfin les dégâts occasionnés par un séisme seront fonction de la nature du bâti, particulièrement en zone urbaine, et il importe d’effectuer des calculs d’interaction dynamique sol-structure pour le séisme de projet avec les paramètres dynamiques de ces couches superficielles.

Si le premier point relève de l’étude sismologique, les deux derniers relèvent d’une reconnaissance géotechnique et d’une étude géomécanique approfondie. La prise d’échantillons avec un minimum de remaniement est délicate et les essais de laboratoire auxquels il faut soumettre ces échantillons sont longs (triaxiaux cycliques et/ou dynamiques) et leur coût dépasse souvent les budgets alloués aux reconnaissances pour les ouvrages qui ne sont pas exceptionnels. Les essais de reconnaissance en place habituellement utilisés pour les risques sismiques (surtout le SPT, Standart Penetration Test) ont une technologie relativement ancienne qui permet difficilement d’interpréter leurs résultats en vue d’obtenir les paramètres mécaniques à injecter dans les calculs.

La décennie précédente a vu un double développement : D’une part les outils de calcul ont connu un essor très important, en particulier au niveau de la sophistication des lois de comportement utilisées, de façon à bien simuler les mouvements du sol (comme le code CYBERQUAKE par exemple) ou les interactions sol-structure (comme GEFDYN entre autres). La contrepartie est que ces lois de comportement nécessitent un nombre de paramètres beaucoup plus important à déterminer. D’autre part les appareillages de reconnaissance des sols en place permettent maintenant de mesurer en continu un nombre de caractéristiques beaucoup plus important que le simple nombre de coups au SPT ; pénétromètres statiques munis d’une pointe électrique et d’un manchon de frottement, capteur de pression interstitielle pour le piézocône, géophone pour le sismocône…

Ces développements à la fois dans le domaine du calcul et des appareillages de reconnaissance des sols en place devraient permettre de déboucher à la fois sur des méthodes plus modernes de prévision de la liquéfaction des sables et sur une évaluation des paramètres mécaniques dynamiques à injecter dans les codes de calcul sans avoir recours aux essais de laboratoire. Le laboratoire 3S s’est doté d’une pointe de sismopiézocône et le projet visait à développer son utilisation selon les deux axes d recherche évoqués précédemment : d’une part pour mesurer directement en place les paramètres dynamiques du sol à injecter dans les calculs, d’autre part pour identifier le risque de liquéfaction en un site donné.
Programme plus vaste
*
Initiation du projet
Participation du PGRN
Montant du financement (k€)
7,622 k€ (50 kF)
Part du CG38 - PGRN
environ 10 %
(Co)-Financements
Laboratoire 3S
Appréciation du rôle du financement CG38 - PGRN
Financement du pénétromètre. Projet pas nouveau mais poursuite du travail commencé en 1991.


3) Objectifs, méthodes et résultats

Objectifs
Adapter la pointe de sismopiézocône (et son train de tiges d’une dizaine de mètres) à un bâti de pénétration industriel et adapter les systèmes d’acquisition de données à des conditions de site, de façon à rendre cet appareillage opérationnel sur le terrain et ensuite pouvoir effectuer des campagnes sur sites en suivant les deux objectifs du projet :

1) tester les méthodes de prévision de sites ou de couches à risque de liquéfaction ;

2) tester la mesure des paramètres dynamiques et rendre le processus « industriel ».
Méthodologie
1) Prévision du risque de liquéfaction de sites sableux et sablo-limoneux :

- Mise au point des méthodes de prévision utilisant l’ensemble des données du sismopiézocône à partir de la confrontation, pour des sables donnés et dans des conditions de densité et de confinement identiques, d’essais triaxiaux cycliques de laboratoire et d’essais pénétrométriques en chambre d’étalonnage (mesure du taux de sollicitation cyclique produisant la liquéfaction au triaxial et de la résistance de pointe pénétrométrique).

- Construction de manière rationnelle (et non pas par des corrélations empiriques) des diagrammes séparant dans un plan le domaine où il peut y avoir liquéfaction du domaine où il n’y a pas liquéfaction. Les sables utilisés sont de différentes granulométries et représentent ceux que l’on peut rencontrer dans la région grenobloise. Ce diagramme représenté pour des séismes de magnitude 5 peut être adapté aux séismes de projet de la région grenobloise. Il peut être directement applicable par des projeteurs.

- Définition à partir des expériences, pour chaque profondeur, d’une valeur critique de la résistance de pointe pénétrométrique en dessous de laquelle on aura liquéfaction probable (en admettant en première approximation que le taux de contrainte de cisaillement cyclique peut s’exprimer par la relation classique de Seed). L’intérêt pratique d’une telle construction est de pouvoir comparer directement le profil pénétrométrique enregistré sur un site donné au profil des résistances de pointe critiques et donc d’identifier rapidement les couches à risque.
Ce diagramme a été complété en y reportant de manière rationnelle à partir des essais le profil de résistances pénétrométriques séparant le caractère dilatant et contractant du matériau. Ce second seuil permet d’identifier les terrains ou les couches susceptibles d’être le siège d’importants mouvements post-liquéfaction de type écoulement ou étalement latéral (« flow failure » et « lateral spreading »), souvent observés lors de séismes forts et pouvant engendrer des dégâts importants.
Des diagrammes semblables ont été établis pour les autres paramètres mesurés au sismopiézocône : frottement sur le manchon, surpression interstitielle et vitesses de propagation d’ondes. C’est la covergence de l’ensemble des différentes approches qui confirme en pratique le risque d’un site donné.

- Application de la méthode sur des sites ou des types de terrains de la région identifiés comme étant a priori « à risque » :
Les comparaisons effectuées entre les profils pénétrométriques des terrains sablo-limoneux étudiés et les profils « critiques » tendent à montrer que pour les amplitudes sismiques habituellement envisagées dans la région grenobloise (accélération maximale de 0,1 à 0,15g), le risque de liquéfaction est généralement faible.
Par contre, si on introduit un séisme de projet un peu plus fort, de l’ordre de 0,2g, pour tenir compte des amplifications éventuelles liées à l’effet de site de la cuvette grenobloise mises en évidence par le LGIT, alors le risque de liquéfaction peut devenir plus important. Cette question est particulièrement importante pour les « sablons de l’Isère », limons relativement lâches de la banlieue de Grenoble en direction du Grésivaudan. Dans les zones où ils sont proches de la surface, ils représentent clairement des zones à risque.


2) Mesure de paramètres dynamiques à l’aide du sismopiézocône :

Test de la méthode de mesure des vitesses de propagation d’onds dans les terrains superficiels en effectuant des essais dans des sables très fins et dans des condition de densité lâche à mi dense, de façon à se placer dans des conditions proches de celles des Sablons de l’Isère. Pour cela, on a fait varier la profondeur de pénétration de la pointe dans le sol par très petits incréments (10 à 20 cm), ce qui a permis d’obtenir des profils de vitesses de propagation moyenne entre la pointe et la surface.

Par différentiation, un profil des valeurs locales de vitesses a pu être obtenu, qui peut aussi caractériser le risque de liquéfaction. Mais l’intérêt majeur de ce type de mesure est de pouvoir obtenir une estimation des valeurs locales du module de cisaillement « dynamique » du sol Gmax. L’utilisation la plus intéressante de ces mesures se situe dans la perspective des calculs d’interaction sol-structure avec une loi de variation mesurée de Gmax en fonction de la profondeur.
Résultats
1) L’outil sismopiézocône est maintenant opérationnel et devait être utilisé pour élargir la base de données dans la région grenobloise. Il est également possible d’intervenir pour le compte de collectivités pour vérifier le risque d’un site donné.

2) La confrontation de profils pénétrométriques mesurés dans des sites sableux de la région avec les valeurs critiques établies montre que le risque de liquéfaction ou de désordre important dans des sites sableux est à envisager sérieusement si on prend en compte les amplifications liées aux effets de site de la cuvette grenobloise (poursuite des investigations dans ce sens).

3) La combinaison des mesures de résistance de pointe, de frottement sur le manchon, de surpression interstitielle et de vitesses de propagation à l’aide du sismopiézocône ouvre la voie d’une recherche visant à évaluer les nombreux paramètres à injecter dans les calculs dynamiques sophistiqués directement à partir des essais de reconnaissance en place.


4) Débouchés du projet

Utilisateurs finaux potentiels
Experts et gestionnaires du risque sismique (projeteurs), constructeurs d’un barrage…
Production scientifique
- Méthodologie innovante
- Production de connaissances locales / régionales
- Production de connaissances pratiques / opérationnelles
Produits délivrables
Guide méthodologique « Construire Parasismique en Rhône-Alpes » + CD ROM (accès : cf. Etienne Flavigny…).
Partenariats
- Préexistant
- Initié par ce projet
- Qui se poursuit
Retombées du projet
Effet levier :
- programme national COIMBRA ;

- programme européen LIMAS (« LIquefaction Around MArine Structures » 2001-2004) d’étude de la liquéfaction autour des ouvrages maritimes : http://vb.mek.dtu.dk/research/limas/limas.html ;

- poursuite de l’étude des aspects liquéfaction dans le programme Interreg III B SISMOVALP ;

- potentiellement : projet ANR pour instrumenter un site aux Antilles, piloté par le BRGM et associant le GIS RAP – Réseau Accélérométrique Permanent (Ph. Guéguen…) ??? (à vérifier)

- A permis d’initier un nouveau partenariat avec le LGIT, auquel les résultats ont été communiqués (P.Y. Bard, Ph. Guéguen…), ainsi qu’une thèse en collaboration avec le LGIT.


Valorisation :
- Beaucoup de conférences avec les industriels de la région.

- A permis aux bureaux d’études locaux de mieux appréhender les méthodes de prévision de la liquéfaction, qu’ils intègrent désormais dans le cadre de la prévention du risque sismique.

- Des entreprises demandent ainsi ponctuellement des expertises (analyse et interprétation des données…) : Domène, Annecy, Bourg-St-Maurice (2001)…

(Il manque une publication qu’il faudrait faire dans la Revue Française de Géotechnique).


Produits :
Guide méthodologique « Construire Parasismique en Rhône-Alpes » + CD ROM (accès : cf. Etienne Flavigny…).


5) Valorisation du projet

Publications et communications
- Foray, P. (1998) « Séismes et Mouvements de Terrain » Conférence aux professeurs de classe préparatoires, ENSHMG, novembre 1998.

- Foray, P. (2001) « Corrélations entre données sismiques et pénétromètriques dans les sables à faible pénétration. Interprétation des données expérimentales et premières conclusions ». Séminaire des projets Coimbra et Espadon, Fugro-France, Nanterre juin 2001.

- P. Foray, B. Forzano (2001) “Prediction of the risk of liquefaction of the Krasnodar dam” Rapport d’expertise Stucky, juin 2001.

- Foray, P. (2002) “Liquefaction of soils” International course “Risks and natural hazards” BEST INPG, Grenoble, Sept. 2002.

- Foray, P., Emerson, M., Puech, A.(2002) "Correlations between compressive seismic velocity and cone resistance at shallow penetration in sands” Int. Conf. “Offshore Site Investigation and Geotechnics, Sustainability Through Diversity”, 26-28 nov. 2002, London.

- Foray, P. (2003) « La Liquéfaction Sismique des Sols et sa prévision » Conférence «Construire Parasismique en Rhône-Alpes », Grenoble, novembre 2003.

- M. EMERSON « Corrélations entre mesures géophysiques et géotechniques dans les sols » Thèse de Doctorat INPG, soutenance en novembre 2005. Directeur de Thèse : P. Foray.

- Foray, P. (2004) « Prévision de la liquéfaction sismique des sols à l’aide des essais in-situ » Conférence au Comité Français de Mécanique des Sols, mars 2004.

Pages Web
Pierre FORAY, Etienne FLAVIGNY : Liquéfaction des sols et essais in situ - Recherches en cours - Lien avec la pratique, Journée C.F.M.S - A.F.P.S, 5/5/2004 : http://c.f.m.s2.free.fr/exposes050504/PForay_cfmsafps.pdf (page non maintenue)

 

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