Influence du sol

 

IMPORTANCE DE LA GEOLOGIE LOCALE SUR LA STABILITE DES BATIMENTS

Les effets de site

 

L'amplitude des ondes sismiques est relativement stable en profondeur de la croûte terrestre mais devient fortement variable à proximité immédiate de la surface, car elle est en relation directe avec la compacité des sols et des roches. Pour un séisme de magnitude donnée, l'amplitude du mouvement du sol dépend du mécanisme au foyer et est généralement maximale à l’aplomb de la faille et décroît avec la distance. Cependant, ce mouvement du sol peut varier localement (augmentant ou diminuant) en raison de la topographie (relief du sol) ou de la constitution du sous-sol.

Ces modifications des caractéristiques des vibrations du sol en fonction de la géologie de surface mais aussi de la simple topographie sont couramment appelées "les effets de site".

Effet des reliefs

Les reliefs de part leur forme sont le siège d’un phénomène particulier: On constate une amplification des mouvements du sol en sommet de crête.

Les dégâts observés à Rognes, en Provence, suite au séisme de Lambesc en 1909 illustrent bien ce phénomène : les dégâts sont beaucoup plus importants sur le haut de la colline, où les bâtiments sont complètement détruits, qu'au bas du village, qui est intact.

 

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Selon la configuration de la surface du sol, les déplacements vont être amplifiés. Plus la surface est convexe, plus les ondes sismiques réfractées à la surface du sol (interface) vont rebondir vers le versant opposé. On assiste à un phénomène d’amplification qui est d’autant plus important que l’angle du sommet est fermé et que la longueur d'onde est comparable à la largeur du relief. L'effet inverse est aussi remarqué : il y a atténuation des oscillations dans les zones à topographie concave.

 

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Les phénomènes d’amplification ou d’atténuation ne sont pas simples à prédire et deviennent très complexes, voire chaotiques dans des régions où alternent des zones concaves et convexes. L’effet topographique peut provoquer des amplifications locales de mouvement allant jusqu’à un facteur 2 ou 3.



Les Bassins sédimentaires 

Autre cas d'effet de site, les bassins sédimentaires. Ils sont constitués de sols sédimentaires mous emprisonnés dans une cuvette de sols durs rocheux. La mise en résonance de ces terrains par les ondes sismiques ne se fait pas de la même façon: en effet, les ondes sismiques doivent être de fréquence plus faible (basse fréquence) pour mettre en résonnance les terrains meubles; or ce sont précisément les ondes basses fréquences qui sont transmises lorsque l'épicentre est lointain.

Les plus célèbres exemples de ces effets de sites sont les séismes de Mexico en 1985 et de Kobe en 1995 au Japon.

Au Mexique, l'hypocentre du séisme se trouvait à environ 400km de la ville de Mexico qui a pourtant été fortement touchée (plus de 35 000 morts) alors que des endroits plus proches de l’épicentre ont eu moins de dégâts. Cette ville, construite sur un ancien lac asséché située dans un bassin sédimentaire qui est entré en résonance amplifiant ainsi les ondes sismiques et les dégâts. Les phénomènes de résonance et d’amplification d’un facteur 10 se sont faits à des fréquences (les longueurs d’ondes étant comparables à l’épaisseur des sédiments) correspondantes aux fréquences propres des bâtiments (soit de 0.5 Hz pour les grandes tours de 30 étages à 10 Hz pour les maisons individuelles) touchant préférentiellement les bâtiments hauts de 8 à 20 étages, dont plusieurs centaines se sont effondrés.

 

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Les bassins sédimentaires sont souvent dans des zones à forte densité de population. En France, la vallée de Grenoble présente des conditions géologiques comparables.

Il a notamment été démontré par des études récentes que dans la cuvette en Y de Grenoble, la présence d'alluvions postglaciaires très épaisses et la très forte rigidité du massif encaissant font que les ondes sismiques y subissent de multiples réverbérations (entre les bords et le fond de la cuvette ainsi transformée en gigantesque "caisse de résonance"). D'après les résultats des études, les vibrations dans la cuvette sont systématiquement, quelle que soit l'origine du séisme, 10 à 20 fois plus intenses que sur les massifs avoisinants.

 

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Afin de mieux comprendre l’amplification des ondes sismiques lors d’un séisme, nous avons fait une modélisation d’une vallée sédimentaire et enregistré à l’aide de capteur les effets d’une vibration. (Voir Protocole n°3)

Nous avons pris un cendrier en pierre massif et l'avons rempli d'un gel de paraffine. Nous avons placé deux capteurs piézo, l'un sur la pierre, l'autre sur le gel, et nous avons enregistré à l'aide du logiciel Visuel Orphy la transmission des ondes après avoir donné des coups de marteau répétitifs sur les cendriers. Dans cette expérience, le gel représente les sols sédimentaires et les cendriers la cuvette rocheuse.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

On constate que le capteur situé sur le gel (en bleu) enregistre une amplitude plus forte que l'autre capteur situé sur la pierre (en rouge). De plus la vibration dure plus longtemps.

Ce résultat correspond à ce qui a été observé à Mexico et s'explique par la différence de composition du sol.

Liquéfaction des sols:

Au cours de nos recherches, nous avons découvert un phénomène qui nous a beaucoup intrigué: certains sols habituellement stables et solides de modifient avec les vibrations des tremblements de terre et deviennent très meubles, voire se comportent comme des liquides. Cela se traduit par une perte de portance du sol, les bâtiments s’enfoncent et basculent:

La photo ci dessous, prise lors du tremblement de terre de Caracas (Venezuela) en 1967, montre ce phénomène impressionant.

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La photo ci dessus, qui a été prise lors du célèbre tremblement de terre de Niigata au Japon en 1964, montre comment les bâtiments construits selon les normes parasismiques pour leur structure sont restés entiers mais se sont renversés.

Voici quelques exemples en vidéos:

Le phénomène de liquéfaction des sols lors des séismes a été longtemps méconnu. Cette vidéo est une des premières qui a fait connaître ce phénomène. Elle montre des images spectaculaires de liquéfaction lors d'un tremblement de terre à Niigata au Japon en 1964. On voit très nettement la remontée de l'eau à la surface. (cliquer sur les vignettes pour lire les videos)

Seisme de Niigata en 1964 (Japon)

 

Sur cette vidéo prise en Nouvelle-Zélande qui a été prise après un tremblement de terre de magnitude 7.1 (le 4 Septembre 2010), nous observons très distinctement la formation de monticules, typiques du phénomène de liquéfaction, par lesquels s'échappe l'eau sous l'effet de la pression.

 

Liquefaction en Nouvelle Zealand

 

Ceci est une expérience que nous avons trouvée sur Internet et qui montre bien comment les vibrations peuvent modifier rapidement  la portance de certains types de sols.

Liquefaction et portance du sol

 

Nous avons voulu donc nous aussi modéliser ce phénomène spectaculaire. (Voir le Protocole n°4)


A la suite de ces vidéos nous avons tenté d'effectuer plusieurs expériences, pour mettre en évidence ce phénomène de liquéfaction. Nous avons rempli un récipient de sable humide que nous avons soumis à des vibrations répétées. Ces vibrations détruisent les liaisons de contact entre les grains de sable. Le sol se compacte et l'eau qui ne peut pas être drainée par le fond du bac remonte à la surface du fait de l'augmentation de la pression. Cette eau sous pression entre les grains de sable empêche en partie leur cohésion (bien que les grains se soient rapprochés) ce qui rend le sable moins portant: les objets en surface s'enfoncent avec le sable.

Experience de Liquefaction

 

Dans l'expérience suivante, nous avons voulu mettre en évidence la façon dont l'augmentation de la pression entre les grains de sable (pression interstitielle) fait remonter l'eau (colorée en bleu dans cette expérience) à la surface. On visualise bien avec cette expérience comment un sol bien sec en surface mais reposant sur un sol humide profond peut aussi se liquéfier et être inondé lors d'un séisme (ou s'enfoncer dans l'eau). C'est le cas typique des terrains plats sableux de bord de mer qui reposent sur un sol profond humide (car celui-ci est sous le niveau de la mer).

 

Remontee de l'eau a la surface lors de la Liquefaction

Explication de la liquéfaction:

La liquéfaction se produit avec les sols humides granuleux ou argileux. Les vibrations des ondes sismiques entrainent une rupture des liaisons électromagnétiques entre les particules solides composant le sol. Ces particules se rapprochent, le sol se tasse. L'eau présente initialement entre les particules solides subit une augmentation de pression qui la chasse vers la surface et qui réduit en même temps les forces de contact entre les différentes particules du sol. Donc, l'eau contenue dans le sol, parfois uniquement dans les couches profondes, remonte à la surface et, d'autre part, le sol perd sa cohésion et du coup sa portance. Ce qui fait que même dans les cas où il n'y a pas de remontée d'eau, le sol n'est plus "solide". Il se comporte soudainement plutôt comme un liquide ; on dit que le sol se liquéfie.


Les forces de contact entre les particules sont normalement fortes:


Sous l'effet des vibrations, les forces de contact diminuent et la pression de l'eau entre les particules augmente:


Sous l'effet des vibrations, les forces de contact diminuent et la pression de l'eau entre les particules augmente

 

Effets indirects des sols sur les bâtiments: 

Les bâtiments qui ne sont pas endommagés directement par les ondes sismiques transmises par les sols peuvent l'être par les conséquences du séisme sur les sols. Un tremblement de terre peut provoquer des coulées de boues, des glissements de terrains, des avalanches, des chutes de rochers... 

Près des côtes, les tsunamis, peuvent comme on l'a vu en 2004 en Indonésie, provoquer des dégâts à distance du foyer.  

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