Effects of Near-Fault and Far-Fault Ground Motions on Pile Sections of Integral Abutment Bridges Considering Soil Liquefaction

Lorsque le sol tremble lors d'un séisme, le sol sous nos pieds peut parfois perdre sa résistance et se transformer en une boue épaisse semblable à un fluide. Ce phénomène, connu sous le nom de liquéfaction, est une menace silencieuse pour les fondations des ponts. Contrairement à un sol solide qui maintient fermement une structure en place, le sol liquéfié offre peu de résistance, permettant aux pieux — les colonnes profondes qui ancrent un pont — de s'enfoncer, de s'incliner ou de rompre sous le poids supérieur. Cela est particulièrement dangereux pour un type spécifique de pont appelé pont à culée intégrale. Ces structures sont construites comme un cadre unique et continu sans les joints de dilatation que l'on trouve sur les ponts plus anciens, ce qui leur permet de se déplacer plus naturellement avec les changements de température. Cependant, cette conception sans couture signifie que le tablier du pont est rigidement connecté aux pieux, transférant chaque fragment d'énergie sismique directement dans la fondation. Si le sol se liquéfie, le pont perd son adhérence, et les pieux doivent absorber toute la force des secousses sans se briser.

La question à laquelle les ingénieurs sont confrontés n'est pas seulement de savoir comment construire ces ponts, mais comment les construire pour qu'ils survivent à différents types de séismes. Les tremblements de terre ne sont pas tous identiques ; certains se produisent près de la ligne de faille, envoyant de puissantes impulsions soudaines d'énergie qui peuvent prendre les structures de court, tandis que d'autres se produisent loin de là, délivrant une secousse plus longue et plus ondulante. Les chercheurs voulaient savoir comment le choix du matériau et de la forme du pieu affecte la survie d'un pont lorsque le sol se transforme en liquide sous les deux types de secousses. Pour trouver la réponse, une équipe d'ingénieurs d'universités chinouses et afghanes a créé une simulation informatique détaillée d'un pont à travée unique. Ils ont modélisé le pont reposant sur six types différents de pieux : de grands et de petits cylindres en béton, des tubes en acier, des poutres en acier orientées dans différentes directions, et une conception hybride où du béton est coulé à l'intérieur d'un tube en acier. Ils ont ensuite soumis ces ponts virtuels à dix mouvements de séismes enregistrés, la moitié provenant d'événements de proximité de faille et l'autre moitié d'événements lointains, tout en simulant la transformation du sol en fluide.

Les résultats ont révélé que le meilleur choix de pieu dépend fortement du type de séisme et du matériau utilisé. Lorsque le sol tremble avec les impulsions brusques et violentes d'un séisme de proximité de faille, les pieux rigides en béton, surtout les plus grands, ont eu tendance à se courber et à se fissurer davantage que les options en acier. Le béton, étant rigide, ne pouvait pas absorber le choc soudain aussi bien, entraînant des tensions plus élevées dans la structure. En revanche, lorsque les secousses provenaient d'une source lointaine, les pieux en acier ont subi des mouvements et des tensions plus importants que les pieux en béton. Cela suggère que la flexibilité naturelle de l'acier, qui l'aide habituellement à survivre, peut parfois jouer contre lui lors des ondes lentes et ondulantes d'un séisme lointain. Cependant, une conception s'est distinguée comme étant la plus résiliente de manière générale : le tube d'acier rempli de béton. Ce pieu hybride combine la force du béton avec la flexibilité de l'acier, lui permettant de gérer le stress des deux types de séismes avec une constance remarquable.

L'étude a également examiné l'ampleur du mouvement du pont lui-même. Les simulations ont montré que les ponts supportés par des tubes d'acier remplis de béton bougeaient moins que ceux sur des pieux en acier pur, et que le mouvement était presque identique que le séisme soit proche ou lointain. Cette stabilité est cruciale car un mouvement excessif peut endommager la surface de la route ou les connexions avec l'autoroute. Les chercheurs ont constaté que si les pieux en acier étaient solides, ils étaient plus sujets au flambement — un type de collapse structurel où la colonne se déforme — surtout lorsque le sol perdait son adhérence. Les tubes remplis de béton, en revanche, parvenaient à se courber et à s'étirer sans céder, dissipant efficacement l'énergie du séisme.

Pour les ingénieurs concevant des ponts dans des zones sujettes à la liquéfaction, ces conclusions offrent une voie claire à suivre. L'étude suggère que l'utilisation de tubes d'acier remplis de béton est l'option la plus fiable pour les ponts à culée intégrale, car ils offrent un équilibre entre force et flexibilité qui protège la structure à la fois des chocs soudains de courte portée et des tremblements lointains et ondulants. Si des poutres en acier doivent être utilisées à la place, la recherche indique que les zones de fortes contraintes où le pieu rencontre le sol nécessitent un renforcement supplémentaire pour éviter la défaillance. En choisissant le bon matériau de fondation, les ingénieurs peuvent s'assurer que même lorsque le sol sous leurs pieds devient liquide, le pont au-dessus reste debout.