Cécile Clément soutiendra sa thèse le mardi 13 septembre à 14h.
Titre : "Le rôle du fluide dans la liquéfaction sismique : étude théorique, numérique et expérimentale"
Lieu : EOST, 5 rue René Descartes, amphithéatre Rothé
Jury :
Directeurs de thèse :
- Renaud Toussaint, IPGS Université de Strasbourg
Rapporteurs :
- Valérie Vidal, Laboratoire de physique ENS Lyon
- Knut Jørgen Måløy, Faculty of mathematics and natural sciences University of Oslo
Examinateurs :
- Ernesto Altshuler, Physics faculty University of Havana
- Gerhard Schäfer, LHYGES Université de Strasbourg
Résumé :
La lique?faction des sols s'observe lors de forts se?ismes dans des zones sature?es en eau, elle provoque la remonte?e des eaux et un enfoncement ou une inclinaison des ba?timents dans la terre. D'apre?s un mode?le conventionnel, la lique?faction re?sulte de l'augmentation de la pression de pores due a? une compaction du sol provoque?e par les ondes sismiques. Le mode?le conventionnel explique la moitie? des de?clenchements de lique?faction due a? des se?ismes. Dans cette the?se on propose un nouveau mode?le de lique?faction qui vient comple?ter le mode?le actuel, donnant une explication a? de nombreux cas de lique?faction incompris jusque la?.
Nous avons mis au point un mode?le analytique de milieu granulaire sature?, surmonte? d'une sphe?re mode?lisant un bâtiment. C'est l'enfoncement de la sphe?re dans le milieu qui caracte?rise pour nous l'e?tat lique?fie? du milieu. On calcule l'acce?ration seuil ? a? partir de laquelle les grains du milieu peuvent glisser les uns sur les autres. Cette acce?le?ration ne permet pas a? la sphe?re de glisser sur les grains alentours. En e et, contrairement a? la sphe?re les grains du milieu sont immerge?s et ressentent donc une force d'Archime?de. On fait l'hypothe?se que l'enfoncement de la sphe?re est provoque? par le re?arrangement progressif des particules plus e?loigne?es. Pour valider notre mode?le, on re?alise des expe?riences, des simulations nume?riques et une analyse de donne?es de terrain.
Nous avons e?labore? un setup expe?rimental qui mode?lise un milieu granulaire soumis a? une excitation horizontale contro?le?e. Comme grains, nous avons utilise? du sable et des billes de polystyre?ne non expanse?. On pose notre mode?le de ba?timent, une sphe?re, a? la surface. On observe trois comportements selon les parame?tres de secousses : un comportement rigide ou? le milieu se comporte comme un milieu inde?formable ; un comportement lique? e? ou? la sphe?re s'enfonce dans le milieu ; en n un comportement globalement excite? pour les fortes secousses, ou? tous les grains glissent les uns au dessus des autres et ou? des cellules de convection apparaissent. Nous suivons la hauteur de la sphe?re gra?ce une came?ra explorant le domaine de fre?quences entre 0.1 et 50 Hz et le domaine d'acce?le?ration entre 0.001 et 4 ms?2. On peut alors tracer un diagramme de phases en fonction des parame?tres de secousses.
Le re?sultat est que le comportement rigide, lique?fie?, ou globalement excite? ne de?pend que de l'acce?le?ration des secousses au premier ordre. L'acce?le?ration a? partir de laquelle on observe de la lique?faction correspond a? la limite the?orique ? du mode?le analytique. Nous avons ensuite e?tendu nos re?sultats a? des milieux dont le niveau d'eau par rapport a? la surface du milieu granulaire est variable, allant des milieux secs jusqu'aux milieux inonde?s. On conclut que l'enfoncement de la sphe?re est maximal lorsque l'eau affleure a? la surface du milieu granulaire. Cette observation est cohe?rente avec le mode?le analytique qui stipule que c'est le contraste entre la sphe?re non porte?e par l'eau et les grains porte?s par l'eau qui permet a? la sphe?re de s'enfoncer.
En paralle?le nous avons e?crit un programme base? sur la dynamique mole?culaire qui simule le comportement me?canique de milieux granulaires. Dans ces milieux nume?riques, l'eau est repre?sente?e par une force d'Archime?de. Comme dans les expe?riences, on mode?lise la pre?sence d'un bâtiment au dessus du milieu par une large sphe?re pose?e a? la surface du milieu et on applique une oscillation horizontale. On suit l'enfoncement de la sphe?re pour caracte?riser le comportement du milieu. Apre?s avoir retrouve? le me?me diagramme de phases que dans les expe?riences, on analyse la micro-me?canique au sein des particules du milieu. On confirme les hypothe?ses faites par le mode?le analytique en montrant que le comportement lique?fie? se caracte?rise par des contacts rigides entre la sphe?re et les particules voisines et des contacts glissant au loin.
Nous comparons en n ces re?sultats avec les cas de lique?faction de?clenche?s par des e?ve?nements sismiques observe?s dans des conditions naturelles. On convertit notre acce?le?ration seuil ? en densite? d'e?nergie et on conclut qu'elle correspond au premier ordre a? la densite? d'e?nergie a? partir de laquelle on observe de la lique?faction sur le terrain. Notre mode?le permet donc d'expliquer des cas de lique?faction lointaine, ou lique?faction basse e?nergie qui e?taient non compris jusque la?. Bien qu'ils soient totalement inde?pendants, les re?sultats du mode?le analytique, des simulations nume?riques, des expe?riences et des observations sur le terrain coi?ncident. Notre travail nous a e?galement permis d'obtenir des re?sultats sur les sables mouvants et sur l'impact des fondations des bâtiments dans un sol lique?fie?.