Stabilité dynamique des versants et effets de site d’origine géomorphologique : simulations numériques et rétro-analyses

Dynamic slope stability and geomorphological site effects : Numerical simulations and back analysis

• Auteur / Autrice : Zezhong Zhang
• Direction : Jean-Alain Fleurisson
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences et géoingénierie
• Date : Soutenance le 19/12/2018
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : GRNE - Géosciences, Ressources Naturelles et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de géosciences (Fontainebleau, Seine et Marne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Semblat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Alain Fleurisson, Frédéric L. Pellet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Merrien-Soukatchoff, Luca Lenti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effet de site (sismologie)

Pentes (mécanique des sols)

Géomorphologie

Mots clés libres

Effets de site topographiques

Simulations numériques

Stabilité des pentes

Tremblements de terre

Glissements de terrain

Topographic site effects

Numerical simulation

Slope

Earthquake

Landslides

Résumé

Dans cette thèse, des simulations numériques ont d'abord été effectuées avec le logiciel FLAC (Itasca) sur un modèle de pente élastique linéaire homogène pour caractériser l'amplification de l'accélération le long de la surface située le long et à l’arrière de la crête d'une pente, et évaluer ainsi l'effet de la topographie sur l'amplification de l'accélération. L'interaction entre la fréquence du signal sismique appliqué à la base du modèle et l'angle et la hauteur de la pente a été particulièrement étudiée. Il a été constaté que le facteur d’amplification de l’accélération varie de manière significative avec l’angle de et la hauteur de la pente, la fréquence et la durée (nombre de cycle) du signal. De plus, l'amplification du mouvement du sol due à la topographie de la pente est influencée de manière significative par l'effet de couplage complexe entre les ondes incidentes et les ondes réfléchies sur la topographie, et qu’elle est fortement contrôlée par le rapport entre la longueur d'onde du signal incident et la hauteur de la pente.Les simulations numériques sont basées sur une étude géotechnique et une modélisation géomécanique nécessitant de valider les résultats par des comparaisons entre les résultats de modélisations et les données provenant des observations sur le terrain. L’analyse des domaines de fréquence, telle que la densité spectrale et la réponse en fréquence, est un moyen performant pour comprendre les caractéristiques des processus et les divers phénomènes qui ne peuvent pas être expliqués dans le domaine temporel. À cette fin, une étude de la crête du parc Xishan à Zigong au Sichuan en Chine a été réalisée. Les amplifications du site associées au mouvement du sol produit par le séisme de Wenchuan en 2008 ont été évaluées à l'aide de la technique du rapport spectral standard (SSR) et de la méthode d'accélération quadratique moyenne (arms) dans le domaine temporel. Une analyse numérique à 2D utilisant la méthode des différences finies au moyen du logiciel FLAC (Itasca) a été ensuite mise en œuvre et les résultats ont été comparés aux mesures de terrain. Les pics “simulés” des amplifications spectrales sont toujours inférieurs à ceux dérivés des enregistrements de terrain. L'effet d'atténuation important sur le mouvement d'entrée pour les hautes fréquences met en évidence le fait qu'un rapport d'amortissement du signal ne représente pas correctement la dissipation d'énergie dans les simulations numériques. Des amplifications significatives se sont produites à des fréquences élevées (> 10 Hz) et sont considérées comme résultant de conditions locales spécifiques telles que la fracturation des roches et les marches de faîtage; ils ne se produisent donc pas nécessairement au sommet de la colline.Enfin, des études paramétriques ont été réalisées avec des modèles élastiques en termes de diverses géométries de pente 2D et de couches géologiques de subsurface pour caractériser les amplifications du mouvement du sol. L’analyse paramétrique a pour but de comprendre le rôle joué par ces couches de surface, l’angle de la pente et la hauteur de la pente sur l’amplification du mouvement du sol,et donc d’évaluer si l’amplification du site peut être responsable du déclenchement du glissement de terrain. Ensuite, l'analyse dynamique sur des modèles de pente pour différentes magnitudes a été effectuée et une rupture de pente basée sur le déplacement a été créée pour évaluer la stabilité de la pente du site de Las Colinas au Salvador. Les résultats numériques ont clairement montré que les effets de site peuvent avoir induit d'importantes amplifications du mouvement du sol qui ont contribué à déclencher des glissements de terrain.

In this research work, numerical simulations using the finite difference FLAC software (Itasca) were first conducted with a homogeneous linear elastic slope model in order to characterize the acceleration amplification along the slope surface and behind the slope crest, and then to evaluate the topographic effect on the acceleration amplification. The interaction between the frequency of the seismic input motion applied at the base of the model with the slope angle and height has been deeply investigated. It was found that significant changes in the acceleration amplification factor result from variations in the slope angle and height as well as the signal frequency and duration. In addition, it has been shown that the ground motion amplification due to slope topography result from complex coupling effects between the input waves and the reflected waves on the topographic features and is highly controlled by the ratio between the wavelength of the input signal and the slope height.Numerical simulations are based on geotechnical investigations and geotechnical modeling, and it is necessary to validate the results through comparisons between modeling results and field observations. Frequency domain analysis such as spectral density and frequency response are an effective way to understand process characteristics and the various phenomena that cannot be explained in the time domain. For this purpose, a case study at Xishan Park ridge in Zigong in China has been studied. Site amplifications associated with the ground motion produced by the 2008 Wenchuan earthquake have been evaluated using the Standard Spectral Ratio (SSR) technique and root-mean-square acceleration (arms) method in time domain. 2D numerical analysis using finite difference method using the FLAC software (Itasca) has been then performed and results have been compared with monitoring data. The “simulated” peaks of the spectral amplifications are always lower than those derived from the field records. The strong attenuation of input motion at high frequencies highlights the shortcoming that a signal damping ratio does not adequately represent the energy dissipation in numerical simulations. Significant amplifications occurred at high frequencies (>10 Hz) and are considered to result from local specific conditions such as rock fracturing and ridge steps; thus they do not necessarily occur at the top of the hill. Finally, parametric studies were performed with elastic models in terms of various 2D slope geometries and geological layers to characterize the ground motion amplifications. The purpose of the parametric analysis is to understand the role of the geological layer, slope angle and slope height on the ground motion amplification, and thus to estimate if site amplifications could be responsible for the triggering of landslide. Then, the dynamic analysis on the slope model for different seismic magnitudes was performed and a slope failure based on displacement was created to evaluate the Las Colinas slope stability in Salvador. The numerical results clearly showed that site effects can have induced significant ground motion amplifications that contributed to trigger landslides.