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Comment le sol peut-il passer d'un état solide à un état liquide ?

Quel phénomène mécanique peut conduire un sol à se liquéfier et entrainer un glissement de terrain ou l’enfouissement spontané d'un immeuble ? C’est ce que tentent de comprendre les chercheurs du Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (CNRS/Ecole Centrale de Lyon/ENI St Etienne). En obtenant la liquéfaction d’un échantillon de billes de verre de même diamètre, immergées dans de l'eau libre de s'écouler, ils viennent d’identifier un nouveau mode de liquéfaction. Ces travaux, publiés dans Europhysics Letters, pourraient revisiter les connaissances fondamentales sur la mécanique des milieux granulaires et la liquéfaction.

La liquéfaction des sols se produit le plus souvent à la suite d’un tremblement de terre. Elle peut avoir des conséquences catastrophiques et sa compréhension est fondamentale pour prévenir les accidents et savoir identifier des sols constructibles. Les sols sont des milieux granulaires constitués de grains immergés dans un fluide dit interstitiel. Ils peuvent se présenter sous deux états : solide et liquide. Lorsqu'une pression extérieure maintient les grains en contact, l'état est solide. C’est ainsi que se comporte habituellement un sol : il résiste à l’enfoncement d’un objet et l’on peut donc construire un bâtiment sur sa surface. Au contraire, lorsque la pression du fluide est plus forte que la pression de confinement, les grains sont libres dans le fluide et l'état est liquide. Ce liquide ne possède pas de forme propre et ne présente pas de résistance au cisaillement. Il ne peut s’écouler autour de l’objet, qui s’y enfonce.

Les expériences classiques de liquéfaction sont réalisées sur des presses qui viennent cisailler un échantillon (compression anisotrope, c’est-à-dire dans une seule direction) dont le fluide interstitiel est confiné (on parle de condition non drainée, le fluide ne peut s’écouler). Par le cisaillement, la pression interstitielle interne monte et peut dépasser la contrainte externe dans une direction. L'échantillon perd alors toute résistance et s'effondre instantanément en moins d’une seconde.

Les chercheurs du Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes, à l’ENTPE (Ecole nationale des travaux publics de l’Etat), ont réalisé une expérience sur une presse spécialement adaptée pour leurs besoins. Elle consiste à comprimer un échantillon de billes de verre de même diamètre immergées dans de l'eau libre de s'écouler. Les billes sont soigneusement agencées en couches. L'échantillon, confiné par une faible pression externe, est stable, dans un état solide. Lorsque commence la compaction, il peut s’y produire des ruptures brutales des chaînes de force. Celles-ci se manifestent par un réagencement rapide des grains, accompagné d'une émission acoustique. Lorsque ces instabilités sont suffisamment fortes, elles provoquent une surpression interne qui peut dépasser la pression de confinement. C'est dans ce cas précis que la liquéfaction est observée. Les chercheurs ont identifié les conditions nécessaires à l’apparition de ce mode de liquéfaction.

Ils montrent ainsi, contre toute attente, qu'il est aussi possible de liquéfier un échantillon granulaire en le comprimant de manière isotrope (dans toutes les directions) tout en laissant le fluide interstitiel libre de s'échapper (condition drainée). Cette découverte vient partiellement contredire les connaissances acquises en mécanique des milieux granulaires sur la liquéfaction. Elle montre que le phénomène de liquéfaction est plus subtil qu'il n'y paraît et pourrait conduire à revisiter les connaissances sur ce sujet.

Une question reste toutefois en suspens. Ce nouveau mode de liquéfaction n'a été observé qu'en laboratoire avec des billes parfaitement calibrées. Il est donc légitime de se demander si ce phénomène, bien que réel, est observable dans la nature.

© LTDS

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A gauche les grains sont maintenus en contact par la pression de confinement, l'état est solide. A droite, les grains sont libres dans le fluide, l'état est liquide.

© LTDS

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Vue de l'échantillon cylindrique (membrane en latex blanche contenant les billes de verre) ayant subi une liquéfaction isotrope. Les plis dans la membrane de latex témoignent d'une importante déformation verticale.

Références :
T. Do Anh, A. Le Bot, N. Abdelmoula, S. Hans and C. Boutin, "Liquefaction of immersed granular media under isotropic compression", Europhysics Letters 108, 24004 (2014), article publié en ligne le 24/10/2014 : doi:10.1209/0295-5075/108/24004

Contacts :
Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (CNRS/Ecole Centrale de Lyon/ENI St Etienne)
Thiep Do Anh
Tél : 04 72 04 70 72, Mél : thiep.doanh@entpe.fr

Alain Le Bot
Tél : 04 72 18 62 75, Mél : alain.le-bot@ec-lyon.fr

Pour en savoir plus :
http://ltds.ec-lyon.fr http://www.entpe.fr/internet/contenu/departements/genie_civil_batiment/laboratoire_genie_civil_et_batiment_lgcb

Contact communication INSIS :
Muriel Ilous
muriel.ilous@cnrs-dir.fr