Détails du sujet
Modélisation par éléments finis de la
liquéfaction des sols sous chargements
sismiques : application à la ville de Bukavu
Résumé
Auteur : EBUELA
Niveau: TECH2
Département: Genie civil
Année Ac: 2024-2025 , | 2025-07-14 12:46:54
Mots clés
Liquéfaction, Sol, Éléments finis, Chargement sismique.
Intérêt
L’intérêt principal réside dans l’approche intégrée et appliquée :
Sur le plan académique, le projet permet de mettre en pratique des concepts fondamentaux de la mécanique des sols, de la dynamique des sols, et des méthodes de modélisation par éléments finis. Il contribue également à enrichir la littérature locale sur les risques géotechniques liés à la liquéfaction, encore peu documentés dans la région du Kivu.
Sur le plan technique, le travail offre un outil d’aide à la décision pour les ingénieurs géotechniciens et urbanistes, en identifiant les zones à haut risque et en proposant une méthode de prédiction performante, combinant données de terrain, analyses de laboratoire, et simulation numérique.
Sur le plan socio-économique, la prévention des effets de la liquéfaction est essentielle pour limiter les pertes humaines et matérielles en cas de séisme. Ce mémoire peut donc contribuer à l’amélioration des pratiques de conception des fondations et des politiques de gestion des risques dans la ville de Bukavu.
Problématique
La liquéfaction des sols est un phénomène géotechnique dangereux qui survient principalement dans les sols sableux saturés soumis à des sollicitations sismiques. Lorsqu’un séisme
se produit, les grains de sol perdent leur agencement stable sous l’effet des vibrations
cycliques, ce qui entraîne une augmentation rapide de la pression interstitielle et une
réduction de la contrainte effective. Si cette contrainte devient presque nulle, le sol se
comporte alors comme un fluide, perdant sa capacité portante et mettant en péril les
infrastructures qu’il supporte.
Ce phénomène a provoqué de nombreux dommages dans plusieurs régions du monde (Japon,
Turquie, Haïti, etc.). Dans les zones sismiques urbaines, la liquéfaction peut entraîner des
tassements différentiels, l’inclinaison ou l’effondrement des bâtiments, ainsi que la rupture
de conduites souterraines.
La ville de Bukavu, située dans l’est de la République Démocratique du Congo, se trouve
dans une zone à fort aléa sismique en raison de sa proximité avec le rift est-africain. En
dépit de cela, peu d’études approfondies ont été menées pour caractériser le comportement
dynamique de ses sols, notamment sous l’effet de séismes. Dans ce contexte, il devient
nécessaire d’évaluer le potentiel de liquéfaction des sols de Bukavu afin d’anticiper les
risques et de proposer des mesures de mitigation.
Si les méthodes empiriques comme le SPT (Standard Penetration Test) permettent une
première estimation du risque, elles ne tiennent pas compte de la réponse réelle du
sol sous chargement dynamique. C’est pourquoi le recours à la modélisation numérique
(principalement par éléments finis notamment via le logiciel PLAXIS 2D) offre une approche
complémentaire, plus détaillée et plus représentative du comportement réel du sol soumis
à un séisme.
C’est ainsi que la pertinence de ce travail se trouve dans la recherche des réponses aux
questions suivantes :
1. Dans quelle mesure les méthodes empiriques basées sur les essais SPT permettent-elles d’évaluer avec fiabilité le potentiel de liquéfaction des sols dans le contexte géotechnique de la ville de Bukavu ?
2. Quels sont les paramètres mécaniques et hydrauliques les plus influents dans la susceptibilité à la liquéfaction des sols saturés étudiés, et comment peuvent-ils être déterminés de manière expérimentale ?
3. Dans quelle mesure la modélisation numérique à l’aide du logiciel Plaxis 2D, intégrant un modèle de comportement adapté (ex. PM4Sand), permet-elle de simuler les effets de la liquéfaction sous chargements sismiques ?
4. Quels écarts ou convergences peut-on observer entre les résultats issus de l’approche empirique (SPT) et ceux de la simulation numérique, et quelles en sont les implications pour l’évaluation du risque de liquéfaction à Bukavu ? Plan provisoire
À définir Hypothèses
1. H1 : Les méthodes empiriques basées sur les essais SPT permettraient d’estimer de manière fiable le potentiel de liquéfaction des sols dans les conditions géotechniques spécifiques de la ville de Bukavu.
2. H2 : Les paramètres mécaniques (tels que la densité relative, la cohésion, l’angle de frottement interne) et hydrauliques (tels que la perméabilité et le degré de saturation) influenceraient significativement la susceptibilité des sols à la liquéfaction.
3. H3 : La modélisation numérique à l’aide du logiciel Plaxis 2D, intégrant un modèle de comportement adapté comme PM4Sand, permettrait de simuler de manière réaliste la réponse des sols saturés soumis à un chargement sismique.
4. H4 : Les résultats obtenus par modélisation numérique présenteraient une bonne concordance avec ceux issus des méthodes empiriques, les écarts pouvant s’expliquer par les hypothèses de modélisation ou les conditions aux limites. Méthodes
La méthodologie de ce travail repose sur une approche combinée, mêlant investigations
géotechniques sur le terrain, essais en laboratoire, analyse empirique du potentiel de
liquéfaction, et modélisation numérique du comportement du sol sous sollicitation sismique
à l’aide du logiciel PLAXIS 2D.
La première étape consistera à réaliser une campagne de reconnaissance géotechnique sur
plusieurs sites de la ville de Bukavu, sélectionnés en fonction de leur contexte géologique,
de leur usage urbanistique ou de leur vulnérabilité potentielle. Des essais SPT (Standard
Penetration Test) seront effectués in situ afin d’évaluer la résistance dynamique des sols et
d’identifier les couches susceptibles de subir la liquéfaction.
Des échantillons de sol seront également prélevés au cours des sondages pour être analysés
au laboratoire. Ces analyses permettront de déterminer les paramètres géotechniques
essentiels au dimensionnement et à la modélisation, notamment :
• la masse volumique (sèche et saturée),
• la perméabilité,
• la teneur en eau,
• la granulométrie,
• les limites d’Atterberg (si présence de fines),
• l’angle de frottement interne et la cohésion (par essai triaxial ou boîte de cisaillement),
• la densité relative (pour calibrer le modèle PM4Sand de PLAXIS, nécessaire pour la
modélisation de la liquéfaction).
Une fois les paramètres déterminés, une évaluation empirique du potentiel de liquéfaction
sera réalisée en utilisant les méthodes reconnues dans la littérature, notamment celle de
Seed et Idriss (1971) ou de Youd et Idriss (2001). Cette méthode repose sur la comparaison
entre la contrainte sismique induite (CSR) et la résistance à la liquéfaction (CRR), pour
en déduire le facteur de sécurité (FS) à différentes profondeurs.
La deuxième phase du travail consistera à réaliser une modélisation numérique dans
PLAXIS 2D. Un ou plusieurs profils géotechniques représentatifs des zones étudiées seront
modélisés. Les paramètres de sol issus du laboratoire y seront intégrés, les conditions
aux limites et la nappe phréatique seront définies, et un chargement sismique réaliste
(accélérogramme représentatif d’un séisme régional) sera appliqué.
Le comportement du sol sera simulé à l’aide d’un modèle constitutif adapté à la liquéfaction,
tel que PM4Sand ou UBCSand, qui permet de modéliser la génération de surpression interstitielle et la perte de résistance cyclique. La simulation dynamique permettra d’observer
l’évolution des surpressions interstitielles, des déformations plastiques, et du rapport de
liquéfaction .
Enfin, les résultats de la simulation seront comparés aux résultats obtenus par la méthode
empirique, afin de vérifier leur cohérence, de mieux comprendre les mécanismes locaux
de liquéfaction, et de proposer des recommandations techniques pour la conception et la
prévention des risques à Bukavu.
Bibliographie
[1] YEDJOUR Khaled, Modélisation numérique de la liquéfaction des sols sableux, Mé-
moire présenté en vue de l’obtention du diplôme de Magister en génie civil, Faculté
des sciences et de la technologie, Université Mohamed Khider-Biskra, 2012.
[2] LAIMECHE Abderrahim et MECHERI Imad eddine, Évaluation du risque de liquéfaction d’un sol par la méthode SPT, Mémoire de projet de fin d’études pour l’obtention
du diplôme d’ingénieur d’état en génie civil, Ecole nationale Polytechnique, 2017.
[3] Mohamed MEKERBI et Ismail BENABDERRAHMANE, Liquéfaction des sols :
Description, Méthodes D’évaluation, Traitement, Poste liquéfaction, 2009.
[4] Ziad KTEICH, Méthodes d’ingénierie pour l’étude du risque de liquéfaction et du
tassement sous séisme,Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l’Université
Paris-Est, Spécialité : Sciences de l’ingénieur, Université Paris-Est, 2018.
[5] Mohamed OUARZIDINI, Étude de la susceptibilité des sols à la liquéfaction : application à la nouvelle centrale électrique de « Mostaganem », Mémoire de Projet de Fin
d’Etudes pour l’obtention du diplôme d’Ingénieur d’Etat en Génie Civil, 2016.
Directeur & Encadreur
Status
Décision ou observation:
Feu vert:
Déposé : NON
Défendu: NON
Finalisé: NON
Modélisation par éléments finis de la liquéfaction des sols sous chargements sismiques : application à la ville de Bukavu
Résumé
Auteur : EBUELA
Niveau: TECH2
Département: Genie civil
Année Ac: 2024-2025 , | 2025-07-14 12:46:54
Mots clés
Liquéfaction, Sol, Éléments finis, Chargement sismique.Intérêt
L’intérêt principal réside dans l’approche intégrée et appliquée :Sur le plan académique, le projet permet de mettre en pratique des concepts fondamentaux de la mécanique des sols, de la dynamique des sols, et des méthodes de modélisation par éléments finis. Il contribue également à enrichir la littérature locale sur les risques géotechniques liés à la liquéfaction, encore peu documentés dans la région du Kivu.
Sur le plan technique, le travail offre un outil d’aide à la décision pour les ingénieurs géotechniciens et urbanistes, en identifiant les zones à haut risque et en proposant une méthode de prédiction performante, combinant données de terrain, analyses de laboratoire, et simulation numérique.
Sur le plan socio-économique, la prévention des effets de la liquéfaction est essentielle pour limiter les pertes humaines et matérielles en cas de séisme. Ce mémoire peut donc contribuer à l’amélioration des pratiques de conception des fondations et des politiques de gestion des risques dans la ville de Bukavu.
Problématique
La liquéfaction des sols est un phénomène géotechnique dangereux qui survient principalement dans les sols sableux saturés soumis à des sollicitations sismiques. Lorsqu’un séismese produit, les grains de sol perdent leur agencement stable sous l’effet des vibrations
cycliques, ce qui entraîne une augmentation rapide de la pression interstitielle et une
réduction de la contrainte effective. Si cette contrainte devient presque nulle, le sol se
comporte alors comme un fluide, perdant sa capacité portante et mettant en péril les
infrastructures qu’il supporte.
Ce phénomène a provoqué de nombreux dommages dans plusieurs régions du monde (Japon,
Turquie, Haïti, etc.). Dans les zones sismiques urbaines, la liquéfaction peut entraîner des
tassements différentiels, l’inclinaison ou l’effondrement des bâtiments, ainsi que la rupture
de conduites souterraines.
La ville de Bukavu, située dans l’est de la République Démocratique du Congo, se trouve
dans une zone à fort aléa sismique en raison de sa proximité avec le rift est-africain. En
dépit de cela, peu d’études approfondies ont été menées pour caractériser le comportement
dynamique de ses sols, notamment sous l’effet de séismes. Dans ce contexte, il devient
nécessaire d’évaluer le potentiel de liquéfaction des sols de Bukavu afin d’anticiper les
risques et de proposer des mesures de mitigation.
Si les méthodes empiriques comme le SPT (Standard Penetration Test) permettent une
première estimation du risque, elles ne tiennent pas compte de la réponse réelle du
sol sous chargement dynamique. C’est pourquoi le recours à la modélisation numérique
(principalement par éléments finis notamment via le logiciel PLAXIS 2D) offre une approche
complémentaire, plus détaillée et plus représentative du comportement réel du sol soumis
à un séisme.
C’est ainsi que la pertinence de ce travail se trouve dans la recherche des réponses aux
questions suivantes :
1. Dans quelle mesure les méthodes empiriques basées sur les essais SPT permettent-elles d’évaluer avec fiabilité le potentiel de liquéfaction des sols dans le contexte géotechnique de la ville de Bukavu ?
2. Quels sont les paramètres mécaniques et hydrauliques les plus influents dans la susceptibilité à la liquéfaction des sols saturés étudiés, et comment peuvent-ils être déterminés de manière expérimentale ?
3. Dans quelle mesure la modélisation numérique à l’aide du logiciel Plaxis 2D, intégrant un modèle de comportement adapté (ex. PM4Sand), permet-elle de simuler les effets de la liquéfaction sous chargements sismiques ?
4. Quels écarts ou convergences peut-on observer entre les résultats issus de l’approche empirique (SPT) et ceux de la simulation numérique, et quelles en sont les implications pour l’évaluation du risque de liquéfaction à Bukavu ?
Plan provisoire
À définirHypothèses
1. H1 : Les méthodes empiriques basées sur les essais SPT permettraient d’estimer de manière fiable le potentiel de liquéfaction des sols dans les conditions géotechniques spécifiques de la ville de Bukavu.2. H2 : Les paramètres mécaniques (tels que la densité relative, la cohésion, l’angle de frottement interne) et hydrauliques (tels que la perméabilité et le degré de saturation) influenceraient significativement la susceptibilité des sols à la liquéfaction.
3. H3 : La modélisation numérique à l’aide du logiciel Plaxis 2D, intégrant un modèle de comportement adapté comme PM4Sand, permettrait de simuler de manière réaliste la réponse des sols saturés soumis à un chargement sismique.
4. H4 : Les résultats obtenus par modélisation numérique présenteraient une bonne concordance avec ceux issus des méthodes empiriques, les écarts pouvant s’expliquer par les hypothèses de modélisation ou les conditions aux limites.
Méthodes
La méthodologie de ce travail repose sur une approche combinée, mêlant investigationsgéotechniques sur le terrain, essais en laboratoire, analyse empirique du potentiel de
liquéfaction, et modélisation numérique du comportement du sol sous sollicitation sismique
à l’aide du logiciel PLAXIS 2D.
La première étape consistera à réaliser une campagne de reconnaissance géotechnique sur
plusieurs sites de la ville de Bukavu, sélectionnés en fonction de leur contexte géologique,
de leur usage urbanistique ou de leur vulnérabilité potentielle. Des essais SPT (Standard
Penetration Test) seront effectués in situ afin d’évaluer la résistance dynamique des sols et
d’identifier les couches susceptibles de subir la liquéfaction.
Des échantillons de sol seront également prélevés au cours des sondages pour être analysés
au laboratoire. Ces analyses permettront de déterminer les paramètres géotechniques
essentiels au dimensionnement et à la modélisation, notamment :
• la masse volumique (sèche et saturée),
• la perméabilité,
• la teneur en eau,
• la granulométrie,
• les limites d’Atterberg (si présence de fines),
• l’angle de frottement interne et la cohésion (par essai triaxial ou boîte de cisaillement),
• la densité relative (pour calibrer le modèle PM4Sand de PLAXIS, nécessaire pour la
modélisation de la liquéfaction).
Une fois les paramètres déterminés, une évaluation empirique du potentiel de liquéfaction
sera réalisée en utilisant les méthodes reconnues dans la littérature, notamment celle de
Seed et Idriss (1971) ou de Youd et Idriss (2001). Cette méthode repose sur la comparaison
entre la contrainte sismique induite (CSR) et la résistance à la liquéfaction (CRR), pour
en déduire le facteur de sécurité (FS) à différentes profondeurs.
La deuxième phase du travail consistera à réaliser une modélisation numérique dans
PLAXIS 2D. Un ou plusieurs profils géotechniques représentatifs des zones étudiées seront
modélisés. Les paramètres de sol issus du laboratoire y seront intégrés, les conditions
aux limites et la nappe phréatique seront définies, et un chargement sismique réaliste
(accélérogramme représentatif d’un séisme régional) sera appliqué.
Le comportement du sol sera simulé à l’aide d’un modèle constitutif adapté à la liquéfaction,
tel que PM4Sand ou UBCSand, qui permet de modéliser la génération de surpression interstitielle et la perte de résistance cyclique. La simulation dynamique permettra d’observer
l’évolution des surpressions interstitielles, des déformations plastiques, et du rapport de
liquéfaction .
Enfin, les résultats de la simulation seront comparés aux résultats obtenus par la méthode
empirique, afin de vérifier leur cohérence, de mieux comprendre les mécanismes locaux
de liquéfaction, et de proposer des recommandations techniques pour la conception et la
prévention des risques à Bukavu.
Bibliographie
[1] YEDJOUR Khaled, Modélisation numérique de la liquéfaction des sols sableux, Mé-moire présenté en vue de l’obtention du diplôme de Magister en génie civil, Faculté
des sciences et de la technologie, Université Mohamed Khider-Biskra, 2012.
[2] LAIMECHE Abderrahim et MECHERI Imad eddine, Évaluation du risque de liquéfaction d’un sol par la méthode SPT, Mémoire de projet de fin d’études pour l’obtention
du diplôme d’ingénieur d’état en génie civil, Ecole nationale Polytechnique, 2017.
[3] Mohamed MEKERBI et Ismail BENABDERRAHMANE, Liquéfaction des sols :
Description, Méthodes D’évaluation, Traitement, Poste liquéfaction, 2009.
[4] Ziad KTEICH, Méthodes d’ingénierie pour l’étude du risque de liquéfaction et du
tassement sous séisme,Thèse présentée pour obtenir le grade de Docteur de l’Université
Paris-Est, Spécialité : Sciences de l’ingénieur, Université Paris-Est, 2018.
[5] Mohamed OUARZIDINI, Étude de la susceptibilité des sols à la liquéfaction : application à la nouvelle centrale électrique de « Mostaganem », Mémoire de Projet de Fin
d’Etudes pour l’obtention du diplôme d’Ingénieur d’Etat en Génie Civil, 2016.
Directeur & Encadreur
Status
Décision ou observation:Feu vert:
Déposé : NON
Défendu: NON
Finalisé: NON