La liquéfaction est la perte transitoire de résistance d'un sol sableux saturé sous sollicitation sismique cyclique : la pression interstitielle u croît jusqu'à atteindre la contrainte verticale effective σ'v0, ce qui annule la résistance au cisaillement (τ = (σ_v − u)·tan φ' → 0). Conséquences : perte de portance des fondations, tassements différentiels (5 à 30 cm), épanchement latéral (cône de Niigata 1964, Kobe 1995, Christchurch 2011), flottement d'ouvrages enterrés (cuves, pipelines). La méthode simplifiée de Seed & Idriss (1971, mise à jour Idriss-Boulanger 2008, NCEER 1997, EC8-5 §4.1.3 Annexe B) compare le CSR (Cyclic Stress Ratio = demande sismique) au CRR (Cyclic Resistance Ratio = capacité du sol, dérivée du SPT corrigé). Le facteur de sécurité FS = CRR·MSF·Kσ/CSR doit être supérieur à 1,25 (NCEER, EC8-5) pour considérer le site non liquéfiable au sens projet.
Contraintes verticales à la profondeur z, nappe phréatique à zw :
σv(z) = γ·z (contrainte totale, en kPa avec γ en kN/m³)
σ'v(z) = γ·z − γw·(z−zw) si z > zw, sinon γ·z
γw = 9,81 kN/m³, u = γw·(z−zw)
Cyclic Stress Ratio (CSR) — demande sismique (Seed-Idriss 1971) :
CSReq = 0,65 · (amax/g) · (σv/σ'v) · rd
rd(z) = 1 − 0,00765·z si z < 9,15 m
rd(z) = 1,174 − 0,0267·z si 9,15 ≤ z < 23 m
Correction de fines (Idriss-Boulanger 2008 Eq. 7) — (N1)60 → (N1)60,cs « clean sand equivalent » :
Δ(N1)60 = exp[1,63 + 9,7/FC − (15,7/FC)²] (FC en %, plafonné)
(N1)60,cs = (N1)60 + Δ(N1)60
Cyclic Resistance Ratio (CRRM=7,5) — courbe d'Idriss-Boulanger 2008 (sable propre équivalent) :
CRR7,5 = exp[Ncs/14,1 + (Ncs/126)² − (Ncs/23,6)³ + (Ncs/25,4)⁴ − 2,8]
Valable jusqu'à Ncs ≈ 37 ; au-delà, sol non liquéfiable.
Facteurs correctifs :
MSF (Magnitude Scaling Factor, Idriss-Boulanger 2008) :
MSF = 6,9·exp(−Mw/4) − 0,058 (plafonné à 1,8)
Mw = 5,5 → MSF = 1,75 ; Mw = 7,5 → MSF = 1,0 ; Mw = 8 → MSF = 0,87 ; Mw = 9 → MSF = 0,67
Kσ (correction surcharge, Boulanger 2003) :
Kσ = 1 − Cσ·ln(σ'v/100), Cσ = 1/(18,9 − 2,55·√Ncs), plafonné 1,1
Facteur de sécurité et critères de décision :
FS = (CRR7,5 · MSF · Kσ) / CSR
FS < 1,0 : LIQUÉFACTION attendue au cours du séisme
1,0 ≤ FS < 1,25 : transition, vulnérabilité élevée (NCEER 1997)
FS ≥ 1,25 : sol non liquéfiable au sens projet (EC8-5 critère opérationnel)
Tassement post-liquéfaction (Ishihara-Yoshimine 1992, simplifié selon Dr) :
εv(%) ≈ Coef(Dr) · max(0, 1 − FS)^1,5
Sable lâche (Dr=30 %) : εv,max ≈ 8 %
Sable moyen (Dr=50 %) : εv,max ≈ 4 %
Sable dense (Dr=80 %) : εv,max ≈ 1 %
Doctrine BET_STR — mesures de mitigation (EC8-5 Annexe B, FHWA-NHI-11-032) :
• éviter le site ! (catégorie III/IV en zone 4-5)
• Densification (vibrocompactage, compactage dynamique) pour amener (N1)60 > 30
• Drainage (gravier drainant, mèches verticales) pour limiter la montée d'u
• Renforcement (colonnes ballastées, jet grouting, deep soil mixing)
• Fondations profondes (pieux traversant la couche liquéfiable + ancrage en profondeur)
• Conception ductile (acceptation déplacements résiduels, sur cuves et pipelines)
Lien avec les autres modules ISS — la liquéfaction invalide les hypothèses des modules 1-6 (sol élastique). Détection préalable obligatoire : vérifier FS avant tout calcul ISS. Si liquéfaction prévue, recourir à un modèle volumique non-linéaire couplé pression interstitielle (FLAC, Plaxis Dynamics, OpenSees) ou réviser la conception.