Des ultrasons pour sonder les sables mouvants

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11/04/2019

Impliquée dans des phénomènes tels que les sables mouvants, la liquéfaction des sols est un phénomène qui recèle encore des mystères. Des chercheurs de l’Institut Langevin (CNRS, ESPCI Paris) y ont apporté un nouvel éclairage, montrant qu’elle pouvait être provoquée par une lubrification entre les grains du sol causée par des vibrations. Ces résultats, publiés dans la revue Scientific Report, se basent sur des mesures prises par un sonar à ultrasons.

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Principe de fonctionnement : une bille d’acier s’enfonce dans une suspension de billes de verre saturée d’eau, sous vibration horizontale. L’ensemble est suivi à distance par un sonar à ultrasons (photo Alister Trabattoni, Institut Langevin).


La liquéfaction des sols entraîne des dégâts considérables tels que des basculements d’immeubles, des ruptures de barrage ou des effondrements de ponts. Sous l’effet d’une secousse sismique, un sol granulaire, initialement lâche, tend à se compacter. L’eau qu’il contient remonte et met temporairement les grains qui le composent en suspension. Dans cette phase, le sol se comporte comme une roche meuble, qui n’offre plus aucune résistance à un chargement extérieur. Dans le cas d’un sol initialement compact, des chercheurs de l’Institut Langevin (CNRS, ESPCI Paris) ont découvert que cette transition d’un état solide vers un état fluide résultait plutôt d’une lubrification acoustique : les vibrations du sol, émises dans la gamme acoustique, réduisent la friction entre les grains qui glissent alors entre eux sans que cela soit visible à l’œil nu.

Les chercheurs se sont appuyés sur un dispositif expérimental basé sur un bac rempli de billes de verre de 100 micromètres de diamètre et saturé en eau. Une bille en acier de quelques millimètres est posée au-dessus, l’enfoncement de cet intrus est mesuré grâce à un sonar qui le suit même quand il est entièrement immergé. Il reste initialement en place jusqu’à ce que des vibrations horizontales soient appliquées à la cuve. Quand elles atteignent certaines amplitudes, l’intrus se met à couler et à descendre de plus en plus profondément dans le sol, sans qu’une montée du niveau de l’eau ou que des réarrangements macroscopiques des billes en surface ne soient visibles. Cette étude pourrait aboutir à une meilleure compréhension des glissements de terrain provoqués par des vibrations, que celles-ci soient liées aux activités humaines ou à des phénomènes naturels, tels que les volcans.

Publication associée
S. van den Wildenberg, X. Jia, J. Léopoldès, & A. Tourin. Ultrasonic tracking of a sinking ball in a vibrated dense granular suspension. Scientific Reports volume 9, Article number : 5460 (2019).

Contacts

Arnaud Tourin
arnaud.tourin (arobase) espci.fr

Xiaoping Jia
xiaoping.jia (arobase) espci.fr





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