Liquéfaction : pourquoi
le sol se comporte-t-il comme de « l'eau » ?
Vous avez peut-être déjà vu, dans un reportage après un grand séisme, des images d'eau et de sable jaillissant du sol, avec des bâtiments qui s'inclinent et s'enfoncent. Le sol, censé être dur, se comporte alors comme de l'eau. C'est le phénomène de « liquéfaction ».
Un quartier résidentiel, près d'une rivière ou sur un terrain gagné sur la mer. Un grand séisme se produit, les secousses durent un moment, puis tout redevient calme. À première vue, le sol semble normal.
Mais bientôt, dans les fissures des routes et les jardins, de l'eau grisâtre et du sable se mettent à jaillir, comme des sources. Peu à peu, les maisons s'inclinent légèrement, et l'on remarque que les plaques d'égout dépassent du sol de plusieurs dizaines de centimètres.
Ce qui se produit dans ce quartier, c'est la liquéfaction : le sol prend temporairement des « propriétés proches de l'eau ».
La liquéfaction : seulement deux raisons
Un sol sableux peut porter un bâtiment parce que les grains sont en contact direct et se poussent mutuellement. Cette force de pression mutuelle est ce qui fait la résistance du sol.
Sous une forte secousse, la pression de l'eau entre les grains augmente brusquement, et la force de pression entre les grains disparaît. Les grains, privés de cette force, se retrouvent comme dispersés, flottant dans l'eau.
Voyons ces deux points l'un après l'autre.
Raison 1 : la résistance du sol vient de la « pression mutuelle » entre les grains
Pensez au sable d'une plage. Sur du sable sec, on peut se tenir debout sans problème. C'est parce que les grains de sable, en contact direct, se poussent mutuellement et supportent ainsi le poids posé dessus.
Mais dans un sable saturé d'eau, il y a toujours de l'eau entre les grains. En temps normal, la pression de cette eau (pression interstitielle) reste assez faible, et les grains restent bien en contact. La force que les grains exercent réellement l'un contre l'autre s'appelle, en langage technique, la « contrainte effective ». C'est cette contrainte effective qui constitue la résistance même du sol.
La liquéfaction ne se produit pas partout. Elle est réputée particulièrement fréquente sur les terrains gagnés sur la mer, les anciens lits de rivière (endroits où un cours d'eau coulait autrefois), les sols riches en sable, avec une nappe phréatique élevée (l'eau se trouve près de la surface). Les cartes de risque de liquéfaction publiées par les collectivités locales permettent de vérifier à l'avance la tendance de sa propre région.
Raison 2 : les secousses font monter brutalement la pression de l'eau
Les grains de sable déposés de façon lâche ont naturellement tendance à vouloir se tasser davantage. Sous des secousses sismiques répétées et intenses, les grains cherchent à se resserrer, ce qui chasse l'eau présente dans les interstices.
Mais il faut du temps pour que l'eau s'échappe de ces interstices. Si la secousse est trop rapide, l'eau ne trouve pas d'issue et reste piégée dans les interstices tandis que sa pression grimpe en flèche. Quand cette pression dépasse la force qui maintenait les grains les uns contre les autres, ceux-ci cessent d'être en contact, et l'ensemble du sol se comporte comme un liquide où le sable flotterait. C'est la liquéfaction.
Sur un sol liquéfié, les bâtiments et réservoirs lourds s'enfoncent, tandis qu'à l'inverse, les structures légères enterrées (plaques d'égout, fosses septiques, etc.), plus légères que le sable environnant, peuvent remonter à la surface. Aux endroits fragiles du sol, on observe aussi un phénomène appelé « éjection de sable », où l'eau sous pression jaillit en entraînant du sable.
Alors, que faire ?
- Vérifier à l'avance si votre lieu de résidence est une zone à risque de liquéfactionConsultable sur la carte de risque de liquéfaction de votre collectivité locale.
- Lors d'un séisme, protégez-vous d'abord, et ne bougez qu'une fois les secousses calméesAdoptez une posture protégeant la tête, puis, une fois les secousses passées, évacuez calmement vers un lieu sûr.
- Ne marchez pas sans précaution sur un sol susceptible d'avoir été liquéfiéIl peut être boueux ou effondré par endroits. Vérifiez un itinéraire sûr avant de vous déplacer.
Si vous constatez de l'eau ou du sable qui jaillit du sol, des fissures qui s'ouvrent, ou des bâtiments qui s'inclinent, éloignez-vous du bâtiment ou du sol concerné et évacuez vers un lieu sûr. Restez à l'écart des poteaux électriques et des lignes, en raison du risque d'effondrement ou de rupture de câbles.
Si l'inclinaison ou les dégâts d'un bâtiment sont importants, ne restez pas à l'intérieur : appelez les secours et suivez leurs instructions. La liquéfaction peut se reproduire non seulement juste après le séisme principal, mais aussi lors des répliques ; ne relâchez donc pas votre vigilance même après la fin des secousses, et restez attentif quelque temps.
En résumé
La liquéfaction se produit lorsque ces deux conditions se combinent : ①la force de pression mutuelle entre les grains de sable (contrainte effective) soutient le sol, et ②les secousses sismiques font monter brutalement la pression de l'eau entre les grains, annulant cette force de pression. La solidité du sol, ce « solide », repose en réalité sur un équilibre étonnamment délicat : la pression mutuelle entre les grains.
Ce qui soutenait le sol, ce n'était pas la dureté elle-même.
C'était la modeste pression mutuelle entre les grains de sable.
- Dans une bouteille en plastique transparente, mettez du sable (ou de la terre fine) et de l'eau, jusqu'à ce que le sable soit à moitié immergé
- Fermez le bouchon, secouez vigoureusement quelques instants, puis posez la bouteille calmement sur une table et observez
Pendant que vous secouez, le sable et l'eau se mélangent comme de l'eau boueuse, et le sable flotte dans l'eau. Une fois la bouteille posée calmement, les grains de sable se redéposent peu à peu et se séparent de l'eau claire au-dessus. Ce changement — « s'effondre quand on secoue, se solidifie au repos » — donne une image proche de la liquéfaction et du rétablissement du sol qui s'ensuit.
Pour aller plus loin ― termes, formules, liens avec les manuels scolairesDu collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, le niveau de chaque partie est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « physique fondamentale » du lycée
- Lycée+Programme de « sciences de la Terre » du lycée, ou contenu approfondi/encadré du manuel
- UniversitéContenu non vu au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (mécanique des sols)
- RechercheSujet non encore enseigné comme « établi » même à l'université, actuellement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire autour de la liquéfaction
- Pression interstitielle : pression de l'eau présente entre les grains du sol.
- Contrainte effective : force que les grains exercent réellement l'un contre l'autre. Source de la résistance du sol.
- Éjection de sable : phénomène où, lors de la liquéfaction, du sable jaillit de la surface avec de l'eau.
LycéeVérifions par le calcul : comment calcule-t-on la résistance du sol ?
La contrainte effective serait représentée par la relation suivante.
Contrainte effective ＝ Contrainte totale − Pression interstitielle
| Contrainte totale | Pression due au poids total de la terre et de l'eau situées au-dessus, à cette profondeur [kN/m²] |
| Pression interstitielle | Pression de l'eau présente entre les grains [kN/m²] |
| Contrainte effective | Force que les grains exercent réellement l'un contre l'autre. Source de la résistance du sol [kN/m²] |
| Poids volumique du sable saturé (hypothèse) | 19 kN/m³ |
| Poids volumique de l'eau | 9,8 kN/m³ |
| Contrainte totale (profondeur 5 m) | 19 × 5 ＝ 95 kN/m² |
| Pression interstitielle en temps normal (profondeur 5 m) | 9,8 × 5 ＝ 49 kN/m² |
| Contrainte effective en temps normal | 95 − 49 ＝ 46 kN/m² |
※ Les valeurs de poids volumique sont des ordres de grandeur représentatifs, destinés à expliquer le mécanisme. Les valeurs réelles varient selon le type de sol.
| Pression interstitielle en séisme, si elle atteint la contrainte totale | 95 kN/m² |
| Contrainte effective correspondante | 95 − 95 ＝ 0 kN/m² |
Une contrainte effective qui devient nulle signifie que la force qui pressait les grains les uns contre les autres a complètement disparu. Un sol dont les grains ne se touchent plus perd sa capacité à soutenir les bâtiments ou les plaques d'égout posés dessus, et se comporte comme un liquide. C'est là le véritable visage de la liquéfaction.
Lycée+Pourquoi le risque est-il élevé sur « sable lâche » et « nappe phréatique haute » ?
Plus un sol est composé de grains déposés de façon lâche, plus les interstices entre les grains sont grands, et plus la marge de resserrement sous l'effet des secousses est importante. Plus cette tendance au resserrement est forte, plus la pression de l'eau chassée est élevée. De même, plus la nappe phréatique est haute (plus les interstices remplis d'eau sont nombreux), plus les conditions sont réunies pour que la pression interstitielle augmente facilement. À l'inverse, un sol déjà dur et bien tassé, ou une zone où la nappe phréatique est basse, serait moins sujet à la liquéfaction.
UniversitéÉvaluer numériquement le risque de liquéfaction
Dans les études de sol réelles, on comparerait la force que le séisme devrait exercer sur le sol (rapport de contrainte de cisaillement sismique) à la force de résistance du sol face à la liquéfaction (taux de résistance à la liquéfaction), pour évaluer le risque à l'aide d'un indice appelé « valeur FL ». Plus la valeur FL est inférieure à 1, plus le risque de liquéfaction est jugé élevé. Cette théorie repose sur le concept de contrainte effective proposé par l'ingénieur en mécanique des sols Terzaghi, et relève de la mécanique des sols et de la géotechnique enseignées à l'université.
RechercheCe qui reste encore incertain
- Prédire avec précision, à une échelle très locale, où et à quelle ampleur la liquéfaction se produira reste encore difficile. Les propriétés du sol peuvent varier fortement même sur de très courtes distances, et une prévision précise exigerait un grand nombre de données d'étude.
- Des recherches sont encore en cours pour vérifier sur le long terme l'efficacité des méthodes d'amélioration des sols. Il existe diverses techniques (compactage, drainage, etc.), mais déterminer laquelle est la plus efficace selon les conditions nécessite d'accumuler des données de vérification issues de séismes réels.
- L'influence des secousses de longue durée (mouvements sismiques de longue période) sur la liquéfaction fait encore débat parmi les chercheurs. La manière dont la durée et la période des secousses influencent le risque de liquéfaction est un domaine de recherche actif.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Section correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, pression, strates et évolution du terrain | Le principe de base : la pression mutuelle entre grains soutient le sol |
| Lycée | Physique fondamentale, calcul de pression | L'ensemble des calculs ①②③ « Vérifions par le calcul » |
| Lycée+ | Sciences de la Terre, sol et risques sismiques | Sable lâche, nappe phréatique et risque de liquéfaction |
| Université | Mécanique des sols, géotechnique | Théorie de la contrainte effective, évaluation de la liquéfaction par la valeur FL |
| Recherche | Géotechnique, génie parasismique (en cours d'étude) | Précision des prévisions de liquéfaction, vérification des méthodes de prévention, influence des mouvements sismiques de longue période |
| ― | Prévention des risques, éducation à la sécurité | Cartes de risque, comportement en cas de séisme, vigilance face aux répliques |
- Documents publics du ministère de l'Aménagement du territoire, des Infrastructures, des Transports et du Tourisme (国土交通省) et des collectivités locales, relatifs aux cartes de risque et aux mesures de prévention de la liquéfaction.
- Description générale, dans les manuels de mécanique des sols, du principe de la contrainte effective (proposé par Terzaghi).
- Documents explicatifs des sociétés savantes et organismes spécialisés en géotechnique, relatifs à la méthode d'évaluation de la liquéfaction (valeur FL) et aux dommages liés à des liquéfactions passées.
- Documents de sensibilisation des organismes de prévention des risques, relatifs au comportement à adopter lors d'un séisme et à la vigilance face à la liquéfaction.
※ Les valeurs de poids volumique, de contrainte, etc. sont des estimations et hypothèses destinées à faciliter la compréhension du mécanisme. Les valeurs réelles varient fortement selon le type de sol et les résultats d'étude.
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Pour toute décision réelle de prévention ou d'évacuation, suivez les informations et instructions des organismes compétents (collectivités locales, agence météorologique, pompiers, etc.). Les valeurs chiffrées présentées sont des estimations et hypothèses destinées à faciliter la compréhension du mécanisme.