Évaluation des effets de site topographiques dans les pentes soumises à des sollicitations dynamiques par simulations numériques

par Hieu Toan Nguyen

Thèse de doctorat en Géologie de l'ingénieur

Sous la direction de Jean-Alain Fleurisson.

Le président du jury était Véronique Merrien-Soukatchoff.

Le jury était composé de Jean-Alain Fleurisson, Frédéric Pellet, Hans-Balder Havenith.

Les rapporteurs étaient Jean-François Semblat.


  • Résumé

    Les séismes sont connus comme des catastrophes naturelles destructrices et meurtrières. Particulièrement dans les régions montagneuses, les effets des séismes sont encore beaucoup plus aggravés à cause des effets de site topographiques. La présence d'une pente est à l'origine d'une amplification du signal sismique notamment dans le voisinage de la crête. De nombreux séismes anciens tels que le séisme de Lambesc (1909, Ms=6.2) qui a conduit à la destruction du village de Rognes (Bouches-du-Rhône, France), ou plus récemment le séisme d'Athènes en Grèce (1999, Ms=5.9) qui a endommagé la ville d'Adames ainsi que les séismes de Chichi à Taiwan (1999, Mw=7.6), du Salvador (2001, Mw=7.6) et du Sichuan (2008, Mw=7.9) responsables de très nombreux glissements de terrain particulièrement catastrophiques sont des exemples représentatifs. Les investigations post-sismiques ont montré une contribution importante des effets de site topographiques au bilan des dommages humains et matériels. Dans le but d'améliorer les connaissances de ce phénomène, de nombreuses simulations numériques ont été réalisées sur des modèles de versant isolés en utilisant le logiciel FLAC 2D (Itasca). Les résultats obtenus ont été analysés en considérant plusieurs critères comme les facteurs d'amplification, les surfaces et les dimensions des zones d'amplification ainsi que la distribution spatiale de ces zones dans le massif de versant. Des études paramétriques ont permis de mettre en évidence le rôle principal de la fréquence adimensionnelle, rapport de la hauteur du versant à la longueur d'onde du signal sismique, dans l'évaluation des effets de site topographiques. Ces résultats montrent également que la pente est le deuxième paramètre important, suivie du coefficient de Poisson et de la géométrie de la crête et du pied de la pente.Ces résultats numériques ont également permis de définir des relations empiriques, nommées ANS, qui permettent d'estimer les effets de site topographiques selon les différents critères d'interprétation. Ces formules sont adaptées pour les signaux sismiques avec une bande de fréquences prédominantes relativement étroite. Pour les autres cas, la Méthode de Décomposition des ondes (MD) a été développé dans ce travail. Cette méthode est basée sur la décomposition du signal complexe multi-fréquentiel en plusieurs ondes mono-fréquentielles par transformée de Fourier. L'effet du signal complexe est alors évalué en faisant une combinaison des effets individuels de chaque onde élémentaire. Ces approches développées dans ce travail (ANS et MD) permettent d'évaluer les effets de site topographiques, en tenant compte de plusieurs paramètres géomorphologiques et sismiques du massif de versant ainsi que du contenu fréquentiel du signal sismique, sans avoir recours à des simulations numériques.

  • Titre traduit

    Evaluation of topographic site effects on slopes under dynamic loading by numerical simulations


  • Résumé

    Earthquakes are known as destructive and murderous natural catastrophe. Particularly in the mountainous regions, the effects of earthquakes are still much aggravated due to the topographic site effects. The presence of a slope causes an amplification of the seismic signal, particularly in the vicinity of the crest. Numerous earthquakes in the past such as the 1909 Lambesc earthquake (Ms=6.2) which led to the destruction of the Rognes village (Bouches-du-Rhône, France), or more recently the 1999 Athens, Greece earthquake (Ms=5.9) which damaged the Adames city as well as the 1999 Chichi, Taiwan earthquake (MW=7.6), the 2001 El Salvador earthquake (MW=7.6) and the 2008 Sichuan earthquake (MW=7.9) responsible for numerous catastrophic landslides are representative examples. Post-seismic investigations demonstrated a significant contribution of topographic site effects on the human and material damage assessment.In order to improve the knowledge of this phenomenon, numerous numerical simulations were performed on the step-like slope models by using the FLAC 2D software (Itasca). The obtained results were analyzed by considering various criteria such as amplification factors, dimensions and area of amplification zones as well as spatial distribution of these zones inside the slope mass. The parametric analyses allow underlining the principal role of the dimensionless frequency, ratio of the slope height to the wavelength of the seismic signal, in the evaluation of topographic site effects. These results also show that the slope angle is the second important parameter, followed by the Poisson's ratio and the geometry of the crest and of the toe of slope.These numerical results allow pointing out empirical equations, called ANS, which can be used to estimate the topographic site effects according to different interpretation criteria. These formulas are suitable for seismic signals with a relatively narrow band of predominant frequencies. For other cases, the method concerning decomposition of seismic incident wave (MD) was developed in this work. This method is based on the decomposition of the complex multi-frequency seismic signal into multiple mono-frequency waves by using Fourier transform. The effect of the complex signal is then evaluated through a combination of the effects of elementary waves. The approaches developed in this work (ANS and MD) allow evaluating the topographic site effects, by taking into account geomorphologic and seismic parameters of the slope as well as the frequency content of the seismic signal, without recourse to numerical simulations.


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