Une liquéfaction dangereuse du sol peut se produire loin des épicentres sismiques dans des conditions drainées – Physics World

Contrairement aux idées reçues, la liquéfaction du sol lors de tremblements de terre peut se produire loin des épicentres, dans des conditions drainées et à des niveaux de densité d'énergie sismique relativement faibles. Les découvertes d’une équipe internationale de chercheurs pourraient nous permettre de mieux évaluer et de mieux nous préparer aux risques sismiques.

L’un des risques les plus catastrophiques et les plus inquiétants liés aux tremblements de terre est la liquéfaction des sols. Cela se produit lorsque les secousses sismiques augmentent temporairement l’espace entre les grains individuels du sol, provoquant une perte de solidité. Le sol commence à se comporter comme un liquide visqueux dans lequel les véhicules, les bâtiments et autres structures peuvent sombrer. Dans le même temps, les infrastructures enterrées comme les pipelines peuvent « flotter » vers la surface (voir figure). La liquéfaction peut également provoquer l’étalement et la fissuration du sol, voire déclencher des glissements de terrain.

Même si la liquéfaction du sol peut être un effet dévastateur d’un tremblement de terre, elle peut avoir des applications utiles. Les ingénieurs civils provoquent délibérément la liquéfaction pour améliorer la qualité du sol avant la construction et minimiser le risque de liquéfaction sismique. Cela peut être réalisé par dynamitage, compactage dynamique et vibroflotation, qui implique une grande sonde vibrante.

Conditions non drainées

Traditionnellement, la liquéfaction sismique a été associée à des conditions non drainées (sol qui ne draine pas naturellement l’eau) à proximité des épicentres des tremblements de terre. Cependant, les géoscientifiques ont également observé une liquéfaction se produisant loin de l’épicentre avec des niveaux d’énergie sismique plus faibles.

"C'est un scénario assez courant", explique Shahar Ben Zeev, sismologue à l’Université hébraïque de Jérusalem. Par exemple, note-t-il, « de nombreux événements de liquéfaction survenus lors de la célèbre séquence de tremblements de terre de Canterbury en 2010-2011, qui ont causé d’énormes dégâts à Christchurch, en Nouvelle-Zélande, se sont produits dans le champ lointain, sous une très faible densité d’énergie sismique. .»

Pour comprendre comment cela est possible, Ben-Zeev et ses collègues ont réalisé à la fois des simulations à l'échelle des grains et des expériences physiques sur la réponse de couches de grains saturés d'eau et sans cohésion aux secousses horizontales. Les expériences physiques ont été réalisées dans une boîte transparente, à l'intérieur de laquelle un ensemble de transducteurs de pression permettaient de mesurer à la fois le mouvement des grains et la pression interstitielle.

Écoulement de liquide interstitiel

Les chercheurs ont découvert que, même dans des conditions drainées, les secousses sismiques peuvent déclencher un écoulement de fluide interstitiel dans les sols, entraînant l’accumulation de gradients de pression interstitielle excessive et, par conséquent, la perte de résistance du sol. La liquéfaction drainée s'est déroulée rapidement, guidée par le mouvement à travers le sol d'un front de compactage à une vitesse limitée par le taux d'injection d'énergie sismique.

«Le mécanisme classique non drainé est perçu comme un processus cumulatif, c'est-à-dire que la pression interstitielle augmente progressivement avec le temps», explique Ben-Zeev. Il ajoute cependant : « Dans le scénario drainé, la mise en pression est rapide et plus instantanée. En conséquence, nous avons constaté que le paramètre de contrôle de la liquéfaction drainée est la puissance sismique (le taux de densité d’énergie sismique introduite dans le sol).

Les résultats, a noté l'équipe, ont également des implications sur la façon dont nous interprétons les caractéristiques géologiques liées à la liquéfaction associées aux tremblements de terre passés qui n'ont pas été mesurées à l'aide d'instruments sismiques.

« Les procédures de décision et d'élaboration des politiques concernant la préparation aux tremblements de terre reposent sur des catalogues de tremblements de terre, principalement sur l'intervalle de temps de réapparition d'une certaine magnitude de tremblement de terre dans une région, explique Ben-Zeev. Une façon de construire un catalogue qui remonte avant les enregistrements d'instruments, note-t-il, consiste à examiner la déformation des sédiments mous dans les enregistrements géologiques.

"Si des preuves d'événements de liquéfaction du sol sont trouvées, il est possible de calculer les paramètres de mouvement du sol qui ont déclenché la liquéfaction, puis de limiter la distance et l'ampleur de l'épicentre", explique-t-il. "Notre étude, qui a montré que la liquéfaction peut être initiée sous des secousses d'intensité relativement faible, appelle à réexaminer le mouvement paléo-sol éventuellement surestimé."

Pas entièrement expliqué

Oliver Taylor, ingénieur géotechnique chez ECS Limitée qui n'a pas participé à l'étude estime que le travail est important : « [Ben-Zeev et ses collègues] fournissent un aperçu approfondi des sols qui se liquéfient en dehors du régime classique non drainé. C’est quelque chose qui a été observé in situ, mais qui n’est pas entièrement expliqué par notre compréhension actuelle.

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Cependant, Taylor note que l'équipe n'a testé que l'état du sol le plus meuble possible sur un sable uniforme non compacté. « Le problème », ajoute-t-il, « est que cela ne crée que le « pire des cas » à partir duquel les résultats sont « validés » – et peut ne pas être représentatif des conditions in situ où une liquéfaction à faible densité énergétique a été réalisée. observé".

Qualifiant l’étude de « très intéressante », Chi Yuen Wang − un géophysicien appliqué à l'Université de Californie à Berkeley – souligne qu'il est « difficile de comprendre pourquoi [la] simulation n'a pas pris en compte la compressibilité du sol poreux, étant donné que cette dernière est la composante majeure du stockage du sol à faible profondeur, qui contrôle l’évolution de la pression interstitielle.

Une fois leur étude initiale terminée, Ben-Zeev et ses collègues ont utilisé le même cadre théorique pour explorer le mystère de la façon dont la liquéfaction du sol peut se produire plusieurs fois au même endroit. Cela ne devrait pas se produire car l’épisode initial devrait densifier le sol et empêcher une reliquéfaction ultérieure.

L'étude est décrite dans Nature Communications.

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• La source: https://physicsworld.com/a/dangerous-soil-liquefaction-can-occur-away-from-earthquake-epicentres-in-drained-conditions/