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Effect of fines content on reliquefaction resistance and consolidation–reconsolidation behavior of silty sand

Cette étude examine comment l'augmentation de la teneur en fines (jusqu'à 35 %) améliore la résistance à la reliquéfaction du sable limoneux et modifie son comportement de consolidation-reconsolidation, révélant que la résistance dépasse les seuils de liquéfaction initiaux lorsque la teneur en fines atteint 25 % et que le rapport de coefficient anisotrope proposé descend en dessous de 1.

Auteurs originaux : Yeming Zhong, Xueqian Ni, Sheng Zhang, Zhao Zhang, Feng Zhang, Feng Shan

Publié 2026-09-03

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Yeming Zhong, Xueqian Ni, Sheng Zhang, Zhao Zhang, Feng Zhang, Feng Shan

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Le sol sous nos pieds n'est pas toujours aussi solide qu'il en a l'air. Dans certaines conditions, lorsque la terre tremble, l'eau piégée entre les grains de sol peut accumuler une telle pression que le sol perd temporairement sa résistance et commence à se comporter comme un liquide épais. Ce phénomène, connu sous le nom de liquéfaction, peut faire s'enfoncer des bâtiments et fissurer des routes. Pendant des décées, les ingénieurs ont cru qu'une fois qu'une zone de sol s'était liquéfiée puis s'était stabilisée, elle deviendrait plus dense et plus sûre, se durcissant efficacement contre de futures secousses. Cependant, des observations réelles après des séismes majeurs ont remis en question cette idée réconfortante. Dans certains endroits, le sol s'est liquéfié à nouveau lors de répliques plus faibles, causant des dommages supplémentaires. Ce mystère est particulièrement déroutant dans les sols qui sont un mélange de sable et de particules de limon fin. Si le sable pur est bien compris, ces sols mixtes se comportent de manières complexes qui dépendent fortement de la quantité de limon présent, laissant les ingénieurs incertains de la manière de protéger les structures construites sur eux.

Une équipe de chercheurs de l'Université du Sud Central et de l'Université de Tongji en Chine s'est donné pour mission de résoudre ce casse-tête en examinant de près comment différentes quantités de limon modifient le comportement du sable après que celui-ci a déjà subi une première liquéfaction. Ils ont préparé huit mélanges différents de sable et de limon, allant du sable pur à un mélange contenant trente-cinq pour cent de limon. À l'aide d'une machine spécialisée qui simule les secousses d'un séisme, ils ont soumis ces échantillons de sol à un premier cycle de secousses jusqu'à ce qu'ils se liquéfient. Après l'arrêt des secousses, ils ont laissé la pression de l'eau se dissiper et le sol se stabiliser à nouveau sous forme solide, un processus appelé reconsolidation. Ensuite, ils ont secoué exactement les mêmes échantillons pour voir comment ils réagiraient à un second séisme. L'objectif était de déterminer si le sol devenait plus fort ou plus faible après le premier événement et de comprendre comment la quantité de limon influençait ce résultat.

Les résultats ont révélé un changement de comportement surprenant qui dépend entièrement de la quantité de limon dans le mélange. Pour les échantillons ayant de faibles quantités de limon, le sol se comportait comme prévu : il devenait plus faible après la première liquéfaction et échouait beaucoup plus rapidement lors de la seconde secousse. Cependant, à mesure que les chercheurs augmentaient la teneur en limon, un point de bascule est apparu. Lorsque la teneur en limon atteignait vingt-cinq pour cent ou plus, le sol devenait en fait plus résistant à la seconde liquéfaction qu'il ne l'était à la première. Dans ces mélanges à forte teneur en limon, le sol pouvait supporter davantage de cycles de secousses avant de faillir une seconde fois, défiant l'hypothèse traditionnelle selon laquelle un sol liquéfié est toujours plus vulnérable aux événements ultérieurs. Les chercheurs ont découvert que cette amélioration de la résistance n'était pas aléatoire mais suivait un modèle clair lié à la structure interne du sol.

Pour comprendre pourquoi cela se produisait, l'équipe a examiné la façon dont les particules de sol s'organisaient avant et après les secousses. Ils ont découvert que la présence de limon modifie la manière dont les grains de sable se touchent et s'agencent. Dans les mélanges à faible teneur en limon, les secousses créent un alignement interne spécifique qui rend le sol instable lorsqu'il est secoué à nouveau. Mais dans les mélanges à haute teneur en limon, les particules fines agissent comme un revêtement autour des grains de sable plus gros. Ce revêtement modifie les points de contact entre les particules et altère la façon dont le sol se comprime. Après la première liquéfaction et la consolidation subséquente, cette structure revêtue crée un nouvel agencement qui est étonnamment stable. Les chercheurs ont introduit une nouvelle façon de mesurer cette stabilité en comparant la façon dont le sol se comprimait verticalement par rapport à la façon dont il se déformait latéralement pendant le processus de stabilisation. Ils ont constaté que lorsque ce ratio tombait en dessous d'un certain niveau, le sol était garanti d'être plus résistant à une seconde secousse.

L'étude a également examiné le monde microscopique du sol à l'aide d'imagerie puissante pour observer les détails minuscules de l'agencement des particules. Ils ont observé que dans les mélages à haute teneur en limon, les particules fines enveloppaient efficacement le sable, l'isolant les unes des autres. Ce revêtement empêchait les grains de sable de former les structures colonnaires instables qui mènent habituellement à une défaillance rapide lors d'une seconde secousse. Au lieu de cela, le sol maintenait une structure interne plus uniforme et robuste. Cette vue microscopique a confirmé que le limon ne se contente pas de remplir les espaces vides, mais remodèle activement le squelette du sol, changeant sa façon de répondre aux contraintes. Les résultats suggèrent que pour les sols à haute teneur en limon, le risque de reliquéfaction pourrait être inférieur à ce que l'on pensait auparavant, à condition que le sol ait eu le temps de se stabiliser et de se réorganiser après l'événement initial.

Cette recherche offre une image plus claire de la façon dont les sols mixtes se comportent sous la contrainte de séismes répétés. Elle remet en question la vieille règle selon laquelle tout sol liquéfié devient de façon permanente plus faible et montre que la composition spécifique du sol, particulièrement la quantité de limon, joue un rôle décisif dans sa récupération. En identifiant le seuil spécifique où le sol devient plus résistant à une seconde secousse, l'étude offre un nouvel outil aux ingénieurs pour évaluer la sécurité à long terme des fondations dans les zones exposées aux séismes. Ces travaux soulignent que le sol n'est pas un objet statique, mais un système dynamique qui peut se réorganiser, devenant parfois plus fort après une perturbation, selon l'équilibre précis des matériaux qui le composent.

Résumé technique : Effet de la teneur en fines sur la résistance à la reliquéfaction et le comportement de consolidation-reconsolidation des sables silteux

Énoncé du problème
La théorie traditionnelle de la liquéfaction postule que le sol se densifie après le premier événement de liquéfaction, augmentant ainsi sa résistance aux futures liquéfactions. Cependant, les observations sur le terrain contredisent cela, montrant que les sites de sables silteux peuvent subir une reliquéfaction lors de répliques ultérieures. Bien que les études en laboratoire sur le sable propre indiquent que la résistance à la reliquéfaction diminue souvent de manière significative après le premier événement en raison de la réorganisation structurelle et de l'anisotropie induite par les contraintes, les mécanismes régissant ces processus dans les sables silteux restent largement inexplorés. Plus précisément, l'influence de la teneur en fines (FC) sur le comportement de consolidation/reconsolsolidation et la résistance à la reliquéfaction des mélanges sable-limon de transition nécessite une élucidation plus approfondie.

Méthodologie
L'étude a utilisé une série d'essais triaxiaux cycliques non drainés sur huit mélanges de sable de Fujian et de limon de dépôt marin, avec une teneur en fines (FC) allant de 0 % à 35 %. Les éprouvettes ont été préparées selon la méthode de compactage humide pour contrôler la densité et éviter la ségrégation. Le protocole de test comprenait :

Consolidation initiale : Consolidation isotrope sous une contrainte effective moyenne de 100 kPa.
Première liquéfaction : Application d'un chargement cyclique contrôlé par la contrainte (onde sinusoïdale, 0,01 Hz) à des rapports de contrainte cyclique (CSR) de 0,20 et 0, 10. La liquéfaction était définie par une déformation axiale d'amplitude double de 5 %.
Reconsolsolidation : Le drainage a été ouvert et les éprouvettes ont été laissées à se reconsolider sous une pression de confinement de 100 kPa.
Reliquéfaction : Les mêmes éprouvettes ont été soumises à un chargement cyclique identique pour simuler un second événement sismique.
Analyse microstructurale : La microscopie électronique à balayage (MEB) a été utilisée pour examiner les changements de méso-fabric (modes de contact des particules, structure des pores et orientation) des éprouvettes avant et après la liquéfaction pour les valeurs de FC comprises entre 20 % et 35 %.

Principales contributions et résultats

Teneur en fines et résistance à la reliquéfaction : L'étude a révélé une relation non monotone entre la FC et la résistance à la liquéfaction. Lors de la première liquéfaction, la résistance a généralement diminué à mesure que la FC augmentait de 0 % à 15 %, avec une transition vers la liquéfaction de débit (flow liquefaction) à 15 %. Cependant, pour une FC $\ge$ 20 %, la résistance a commencé à augmenter. Crucialement, un seuil a été identifié à FC = 25 %. En dessous de ce seuil, la résistance à la reliquéfaction était inférieure à la résistance de la première liquéfaction. Au-dessus de ce seuil (FC $\ge$ 25 %), la résistance à la reliquéfaction dépassait la résistance de la première liquéfaction et continuait d'augmenter avec une FC plus élevée.
Développement de la déformation et anisotropie :
- Déformation volumétrique : La compressibilité a augmenté avec la FC. Pendant la reconsolsolidation, les déformations volumétriques étaient systématiquement plus élevées que lors de la consolidation initiale, particulièrement pour une FC > 20 %.
- Évolution de l'anisotropie : L'étude a analysé le rapport de la déformation volumétrique sur la déformation axiale ( $\epsilon_v/\epsilon_a$ ) pour quantifier l'anisotropie. Dans la région « de type sable » (faible FC), l'anisotropie inhérente a d'abord diminué puis a augmenté avec la FC. Dans la région « de type limon » (haute FC), l'anisotropie inhérente a diminué.
- Anisotropie induite par les contraintes : L'étude a analysé le ratio de la déformation volumétrique sur la déformation axiale ( $\epsilon_v/\epsilon_a$ ) pour quantifier l'anisotropie. Dans la région « de type sable » (plus faible FC), l'anisotropie inhérente a d'abord diminué puis a augmenté avec la FC. Dans la région « de type limon » (plus haute FC), l'anisotropie inhérente a diminué. Le sable propre présentait une anisotropie induite par les contraintes plus élevée que le sable silteux, suggérant que les fines affaiblissent l'expression de cette anisotropie.
Indice proposé ( $R_{ac}$ ) : Les auteurs ont introduit un coefficient de rapport d'anisotropie, $R_{ac}$ , défini comme le rapport du taux de déformation volumétrique-axiale pendant la reconsolsolidation par rapport à celui pendant la consolidation initiale.
- $R_{ac}$ a diminué de manière constante à mesure que la FC augmentait.
- Une condition critique a été identifiée : lorsque $R_{ac} < 1$ et $FC \ge 25\%$ , la résistance à la reliquéfaction dépasse la résistance de la première liquéfaction. Inversement, lorsque $R_{ac} > 1$ (généralement pour $FC < 25\%$ ), la résistance à la reliquéfaction est inférieure à la résistance de la première liquéfaction.
Mécanismes de méso-fabric : Les observations MEB ont fourni une explication physique de l'augmentation de la résistance à des FC élevées.
- Avant la liquéfaction : Dans les sols de type sable, les fines agissaient comme des remplissages. Dans les sols de type limon (FC $\ge$ 25 %), les fines remplaçaient le sable en tant que constituant principal du squelette, formant des agrégats qui encapsulaient les particules de sable.
- Après la liquéfaction : Le processus de reconsolsolidation a créé des voies de drainage et a densifié le sol. Pour les échantillons à haute teneur en fines, les fines ont formé un revêtement autour des grains de sable, faisant passer les modes de contact de points/diffus à des contacts de surface intimes. Ce revêtement a perturbé la continuité du squelette de sable, empêchant la transmission efficace de l'anisotropie induite par les contraintes à travers la structure granulaire. Par conséquent, la manifestation macroscopique de l'anisotropie a été atténuée, conduisant à une résistance à la reliquéfaction plus élevée.

Signification
L'article affirme que la compréhension de l'évolution de l'anisotropie et du rôle spécifique de la teneur en fines est essentielle pour prédire la stabilité à long terme des sols de fondation dans les zones sismiques. En proposant $R_{ac}$ comme indicateur, l'étude offre une méthode pour évaluer le potentiel de reliquéfaction des sables silteux. Les conclusions suggèrent que pour les sols à haute teneur en fines ( $FC \ge 25\%$ ) et faible $R_{ac}$ , l'anisotropie induite par les contraintes, généralement associée à une réduction de la résistance, n'est plus nécessairement le facteur dominant. Cette analyse permet des stratégies de mitigation différenciées dans les régions sismiquement actives, particulièrement pour les sites sujets à des événements de liquéfaction multiples. L'étude souligne que l'évolution de la résistance à la liquéfaction n'est pas uniquement une fonction des changements de densité lors de la consolidation, mais est étroitement liée à des mécanismes intrinsèques tels que la réorganisation de la structure du sol et les altérations de l'arrangement des particules induites par la secousse principale.

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