Étude en laboratoire du comportement post-sismique des sols

Le comportement post-sismique des géomatériaux est l’un des aspects les plus critiques abordés par ingénierie parasismique en raison des dommages qui en résultent. De nombreuses études expérimentales et numériques ont été consacrées à la compréhension de ce comportement, à l’évaluation de la rupture du sol et à l’estimation des tassements engendrés. Cependant, en raison de la complexité de ce phénomène, la plupart des études ont accordé une attention particulière aux chartes standard de sables propres ou aux modèles de génération pression interstitielle basés sur l’amplitude de chargement pour pouvoir évaluer ces tassements. Selon les conditions géologiques, la stratigraphie et les caractéristiques du sol, la pression interstitielle générée peut causer de graves dommages même si la liquéfaction n’a pas été déclenchée. Par conséquent, il est extrêmement important de fournir une évaluation fiable capable de capturer le comportement réel du sol. Cette thèse porte sur une étude expérimentale visant à évaluer les déformations induites par la génération de pression interstitielle qui survienne suite à un chargement dynamique. Une approche expérimentale détaillée est introduite pour étudier le comportement post-sismique du sol soumis à un chargement cyclique. Un programme expérimental a été mené sur des billes calibrées, des échantillons creux et des sols tels qu’Ottawa C-109, St-Hilaire et Poisson Blanc pour configurer un dispositif expérimental capable de suivre l’évolution les paramètres du sol lors de la dissipation de la pression interstitielle et mesurer ainsi la déformation résultante. Cette thèse porte une attention particulière sur le coefficient de perméabilité du sol (K), la vitesse des ondes de cisaillement (V s), la déformation volumétrique (εv) et de l’énergie dissipée (E) en tant que paramètres qui gouvernent le comportement post-sismique et qui contribuent à une évaluation fiable du tassement engendré. Une approche théorique qui suit une configuration d’essai à charge variable est suggérée pour mesurer la variation de K pendant la phase post-cyclique. La validation de cette approche a été effectuée en réalisant des tests de dissipation et des mesures de perméabilité sur un sable calibré Ottawa C-109. Il a été prouvé que le K du sable augmente de 2, 5 à 3 fois la valeur initiale après que le sol a regagné 50% de sa contrainte effective initiale, puis diminue jusqu’à acquérir sa valeur initiale à la fin de la phase post-cyclique. Cette thèse souligne l’importance de la pression interstitielle dans le comportement postcyclique, en mettant en évidence la relation entre l’énergie dissipée (E) lors de la génération de la pression et la déformation engendrée (εv) après la dissipation de cette pression. En conséquence, des essais de chargement et de dissipation ont été effectués à l’aide de l’appareil de cisaillement simple triaxial (TxSS) sur des échantillons de sable Ottawa F65. Ces essais ont mené au développement d’une charte qui relie la déformation volumique (εv) au paramètre mécanique du sol (V s) et au paramètre de chargement (E). Une comparaison entre l’approche proposée et la littérature a été faite pour confirmer leur compatibilité pour les sables propres et souligner la limitation des approches précédentes dans l’évaluation des déformations pour d’autres types de sols. À travers des chartes post-sismiques générées pour les sols Ottawa F65, Trois-Rivières et Galt-Est, cette thèse introduit un nouvel indice de déclenchement de liquéfaction- (Rumax−T riggerpoint). Ces chartes illustrent l’accumulation de la déformation volumique en fonction de la contrainte effective lors de la phase de dissipation. À travers l’indice Rumax−T riggerpoint, ces chartes mettent en évidence la complexité du phénomène de liquéfaction. Cet indice est capable de différencier les états de sol liquéfié et non liquéfié et ainsi refléter la résistance à la liquéfaction du sol. La thèse met la lumière également sur l’importance de l’intégration de la variation non linéaire du coefficient de compressibilité volumique (mv), car elle améliore le processus d’identification de l’état du sol et la détermination précise des déformations engendrées. En aboutissement, cette thèse propose un modèle à deux paramètres capable de prédire le comportement non linéaire de l’accumulation de la déformation lors la dissipation de la pression interstitielle en excès et ainsi estimer le tassement engendré. Ce modèle, basé sur l’indice de densité relative (R.D), la contrainte effective minimale (σ ′ min) atteinte à fin du chargement cyclique non drainé et le regain de la contrainte effective (σ ′ ) lors de la dissipation. Pour valider le modèle proposé, une implémentation numérique à l’aide du code de différence finie FLAC2D a été effectuée. Pour simuler le phénomène de liquéfaction, une configuration typique d’une couche de sable lâche prise entre deux couches denses a été considérée pour simuler la liquéfaction. La validation du modèle proposé a été effectuée en comparaison aux tassements observés suite à des tremblements de terre. Il en a été déduit que le tassement calculé présentait un bon accord avec les tassements observés rapportés dans la littérature.Abstract: Post-seismic behavior of geomaterials has been one of the most critical topics tackled in geotechnical earthquake engineering due to the accompanying damage to ground and structures. Many experimental and numerical efforts have been devoted to understanding this behavior, evaluating ground failure, and estimating settlements. However, due to the complexity of this phenomenon, most of the studies gave particular attention to standard charts of clean sands or pore pressure models based on loading amplitude to provide settlement assessments. According to the geological conditions, stratigraphy, and soil characteristics, the generated pore water pressure can cause severe damage even if liquefaction was not triggered. Therefore, there is a huge necessity to provide a reliable assessment capable of capturing the actual soil behavior. Accordingly, this thesis focuses on formulating an experimental framework to assess excess pore pressure-induced deformations. A detailed experimental methodology is introduced to study the soil’s post-seismic behavior subsequent to cyclic load application. An experimental program was conducted on calibrated beads, blank samples, and soils such as Ottawa C-109, St-Hilaire, and Poisson Blanc to convey an experimental setup suitable to capture the varying parameters during the pore pressure dissipation and measure the resulting deformation. The thesis focuses on soil permeability coefficient (K), shear wave velocity (Vs), volumetric strain (εv), and loading dissipated energy (E) as parameters governing the post-cyclic behavior and contributing to its reliable assessment. A theoretical approach that adopts the falling head rule is suggested to measure K variation during the post-cyclic phase. A validation of this approach was carried out by performing dissipation tests and permeability measurements on Ottawa C-109. The K of Ottawa C-109 sand was proved to increase up to 2.5 to 3 times the initial value after the soil regains 50% of its initial effective stress and then decreases until acquiring its initial value at the end of the post-cyclic phase. This thesis also highlights the importance of pore water pressure in depicting the post-cyclic behavior, so it presents the dissipated energy as the linking parameter. As a result, strain-controlled and dissipation tests were performed using the Triaxial Simple Shear apparatus (TxSS) on Ottawa F65 sand specimens to develop the εv assessment chart. The developed chart is based on a soil mechanical parameter (Vs) and a loading parameter (E). A comparison was made between the suggested assessment and previous studies to confirm their compatibility for clean sands and highlight the limitation of the previous approaches in assessing the deformations of different soil types. Furthermore, this thesis introduces a new liquefaction-triggering index (Rumax−Triggerpoint) through the post-seismic charts produced for Ottawa F65, Trois-Rivieres, and Galt-Est soils. The charts illustrate the volumetric strain increase as a function of the effective stress variation (σ′) in the post-cyclic phase. These charts highlight the complexity of the liquefaction phenomenon by providing the Rumax−Triggerpoint point, an index capable of differentiating the liquefied and non-liquefied soil states and reflecting the soil’s liquefaction resistance. The thesis also endorses the significance of integrating the non-linear variation of volume compressibility coefficient (mv) as it enhances the identification process of the soil state and the determination of accurate deformations. Accordingly, a two-parameter model that captures the non-linear pore pressure dissipation and quantifies the free-field settlement was proposed. The model is based on the soil’s relative density (R.D), increased effective stress (σ′), and minimum effective stress (σ′min) reached at the end of the cyclic loading. In this thesis, numerical implementation of the model was accomplished using the FLAC2D finite difference program. A typical soil configuration composed of a loose layer embedded between two dense layers was considered to simulate liquefaction. Validation of the proposed model based on the resulting deformations was carried out. It was deduced that the calculated settlement showed a good agreement with observed settlements reported in the literature