Instabilités et liquéfaction en consolidation isotrope des milieux granulaires modèles

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.