Variabilité de la réponse sismique : de la classification des sites au comportement non-linéaire des sols

Seismic site-response variability : from site-classification to soil non-linear behaviour

• Auteur / Autrice : Julie Regnier
• Direction : Jean-François Semblat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers et Environnement
• Date : Soutenance le 21/05/2013
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géotechnique, Eau et Risques (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Alain Pecker
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Semblat, Françoise Courboulex, Fernando Lopez-Caballero, Luis-Fabian Bonilla, Etienne Bertrand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Gueguen, Faeh Donat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sismométrie

Forages

Séismes

Sol, Mouvements du

Mots clés libres

Effet de site

Variabilité

Comportement non-linéaire du sol

Site effects

Variability

Nonlinear soil behavior

Résumé

La configuration géologique des couches de sol proches de la surface peut modifier fortement le mouvement sismique en surface (effets de site lithologiques). Ces effets de sites peuvent être évalués numériquement ou empiriquement. Ce travail s'inscrit dans la thématique de l'évaluation des effets de site lithologiques et de la variabilité de la réponse sismique des sites. Il se base principalement sur l'analyse d'enregistrements de séismes. Nous avons étudié dans un premier temps la variabilité de la réponse sismique, par classe de sites et pour des mouvements sismique faibles (variabilité inter-sites), puis une partie de la variabilité inter-évènements en un site, due aux effets du comportement non-linéaire des sols. Enfin, nous avons inversé les courbes de réponse du site afin de préciser à quelles profondeurs le comportement du sol est non-linéaire. La base de données accélérométriques KiK-net (Japon) est constituée de 688 forages instrumentés avec un capteur en surface et un autre en fond de puits. Cette configuration en réseau vertical permet de calculer en chacun des sites la courbe de réponse empirique du forage. Ce réseau a été choisi compte tenu du nombre important de sites instrumentés, du nombre de séismes enregistrés (plus de 46 000 enregistrements ont été recueillis et analysés) et de l'existence de caractérisation géotechnique des sites (profils de vitesse de propagation des ondes de cisaillement et de compression).L'analyse de la variabilité de la réponse sismique par classe de site nous a permis de préciser les paramètres qui seraient à mesurer afin d'améliorer l'évaluation des effets de site. En régime linéaire, il s'agit du gradient du profil de vitesse calculé jusqu'à 30 m (B30) ou 100 m (B100) et de la fréquence de résonance fondamentale (f0). Ces paramètres pourraient être utilisés afin de réduire la variabilité inter-sites du mouvement sismique en surface (i.e. variabilité dans les GMPEs Equations prédictives du mouvement sismique).L'analyse de la variabilité inter-évènement associée au comportement non-linéaire des sols nous a fourni les paramètres pertinents pour l'analyse des sites en régime non-linéaire : B30, l'amplification maximale (Apred) et la fréquence associée (fpred). Cette analyse a également montré : - que le PGA (Peak Ground Acceleration, accélération maximale du sol) est un paramètre pertinent pour l'étude des effets du comportement non-linéaire des sols sur la réponse des sites. - que, quelque soit le site, le comportement non-linéaire des sols affecte la courbe de réponse du site à partir d'accélérations modérées (75 cm/s2 en fond de puits). - que la caractérisation non-linéaire d'un site, en vue de l'évaluation des effets de sites, pourrait être réduite à la caractérisation des couches de sol superficielles. Cette dernière assertion peut avoir une influence importante pour la caractérisation non-linéaire des sites. Elle a été confirmée par l'inversion comparée des fonctions de transfert forages linéaires et non-linéaires. Finalement, notre travail a également montré :• que l'analyse de sensibilité de la colonne de sol « à priori » est un bon outil pour déterminer la résolution de l'inversion compte tenu des informations disponibles ainsi que les paramètres du sol contrôlant les pics d'amplification.• que l'utilisation conjointe de l'analyse de sensibilité et de la comparaison des fonctions de transfert, sans étape d'inversion, pouvait être suffisante pour évaluer les profondeurs où le sol peut avoir un comportement non-linéaire important

Local geology can strongly affect seismic ground motion at the surface. These so-called site-effects can be evaluated either numerically by simulating the seismic wave propagation or empirically using earthquake recordings analyses or statistical correlations between site parameters and site effects. This thesis concerns the improvement of site effect evaluation and the consideration of the seismic site response variability. This work is mainly based on the analysis of earthquake recordings. First, we analyzed the site response variability between sites for similar ground motion incident intensity (weak motion) and then, we analysed the site response variability between events in one site caused by non-linear soil behaviour. Finally, we used inversion method to find the depths where soil non-linear behaviour mostly occurs.We analyzed various earthquake recordings from the KiK-net database in Japan (more than 46 000), which is composed of more than 688 surface/borehole instruments. The vertical array configuration allows the computation of the empirical site response in borehole condition. This database was chosen because of its large amount of instrumented sites located at sediments, its large amount of accelerometric data and the existence of characterisation of the shear and compressive wave velocity profiles down to the borehole depth. The analysis of the seismic response variability per site classes indicated which parameters must be measured to improve the site-effect assessment. In the linear range, the parameters are the Vs profile gradient calculated until 30 m (B30) or 100 m depth (B100) and the fundamental resonance frequency of the site (f0). These additional parameters to Vs30 can be used to reduce the between-sites surface motion variability (such as in GMPEs, Ground Motion Prediction Equations).Besides, the analysis of inter-event site response variability caused by non-linear soil behaviour showed the relevant parameters for analysis of site effects in non-linear range: B30, The maximal amplification (Apred) and the associated frequency (fpred). This analysis showed as well: - that the PGA (Peak Ground Acceleration) is a relevant parameter for non-linear site effect assessment. - that, whatever the site, non-linear soil behaviour affects the site response curves from moderate acceleration (75 cm/s2 at the down-hole station). - that only information on the non-linear soil behaviour of the superficial layers is enough to fully assess the non-linear site responses. This last conclusion may have a large impact for non-linear soil characterisation. It has been confirmed by inversion of linear and non-linear borehole site responses and comparison of the obtained Vs profiles. At the same time, the present work showed : - that the depth from which non-linear soil behaviour has no influence on site response depends on the site and on the intensity of the seismic input motion. - that careful attention needs to be taken when inverting data from vertical arrays. Sensitivity analyses are a powerful tool to evaluate the resolution of the inversion considering the available information and the soil parameters that are well solved during the inversion. - That the combined used of sensitivity analysis with comparison of transfer function, without inversion, could be enough to assess the depth where the non-linear soil behaviour mostly take place