Etude des effets sismo-induits et stabilité des pentes en zone urbanisée via modélisation numérique

Seismically induced effects and slope stability in urbanized zones by numerical modeling

• Auteur / Autrice : Gisela Domej
• Direction : Jean-François Semblat, Luca Lenti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géotechnique
• Date : Soutenance le 29/10/2018
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Département géotechnique environnement, risques naturels et sciences de la terre - Département Géotechnique- Environnement- Risques naturels et Sciences de la terre / IFSTTAR/GERS
• Jury : Président / Présidente : Irini Djeran-Maigre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Meunier, Céline Bourdeau, Salvatore Martino
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bertrand Maillot, Christian Sue

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Séismes

Pentes (mécanique des sols)

Mots clés libres

Séismes

Stabilité des pentes

Modélisation numérique

Earthquakes

Slope stability

Numerical modeling

Résumé

Les phénomènes d’instabilité générés par les séismes dans les pentes représentent un risque naturel majeur à l’échelle mondiale. Ce risque a, de plus, tendance à croître du fait d’une urbanisation croissante dans des zones à fort aléa, comme en témoignent de nombreux évènements catastrophique à travers le passé. Pour garantir la sécurité des personnes et des biens face à ce type d’aléa, il faut améliorer les prédictions des déplacements générés par les séismes dans les pentes.Les premiers travaux scientifiques visant à corréler les caractéristiques des instabilités dans les pentes aux paramètres sismiques sont de nature empirique et remontent aux années 1980. Ces méthodes ne permettent pas d’expliquer tous les mouvements de terrain observés à travers le monde, notamment lorsque les effets de site modifient sensiblement la distribution des mouvements dans les pentes et génèrent des déplacements plus grands ou plus petits que ceux prédits par les lois empiriques qui négligent les effets de site.La première partie de cette thèse présente une nouvelle base de données mondiale de 277 glissements de terrain d’origine sismique ou non. L’analyse statistique conduite sur les données de cette base a montré que la forme géométrique moyenne des glissements de terrain reste stable lorsque le volume des instabilités augmente.La deuxième partie de la thèse est dédiée à l’analyse de la stabilité du glissement de terrain de Diezma (Espagne) au moyen de trois méthodes : la Méthode de NEWMARK (1965) basée sur le principe de l’équilibre limite en 2D qui suppose des conditions elasto-parfaitement-plastiques ; l’analyse par différences finies dans le domaine temporel avec le code FLAC en 2D et en 3D qui suppose des conditions visco-elasto-parfaitement-plastiques ; et l’analyse par recombinaison modale dans le domaine fréquentiel avec le code CESAR-LCPC en 2D et en 3D qui suppose des conditions visco-élastiques.Situé dans une région sismiquement active, le glissement de terrain de Diezma est susceptible d’être affecté par des séismes. Une analyse des déplacements induits dans ce versant par onze signaux sismiques différents a été menée dans l’objectif d’établir des corrélations entre les paramètres macro-sismiques des scenarios sismiques appliqués et les déformations calculées par les trois méthodes.Les résultats montrent des différences marquées à la fois qualitatives et quantitatives. Les conclusions principales sont : (a) Les déplacements obtenus par les trois méthodes ont des ordres de grandeur différents et peuvent donc conduire à une surestimation ou à une sous-estimation des déplacements ; (b) Les deux méthodes numériques montrent que les déplacements sont fortement conditionnés par la géométrie des modèles ; seule la méthode par différences finies fait apparaître une réponse en termes de déplacements qui dépend du scénario sismique considéré; (c) Les résultats des simulations2D et 3D ne sont pas comparables ; des analyses complémentaires doivent encore être menées pour guider l’utilisateur dans le choix de la méthode la plus appropriée; (d) La Méthode de NEWMARK (1965), dont l’utilisation reste très répandue de nos jours, est tout à fait appropriée à l’étude de cas simples mais elle peut se révéler inexacte lorsque la structure géologique / topographique du versant conduit à un fort effet de site car ce dernier n’est pas pris en compte par cette méthode

Seismically induced slope deformation is a worldwide common phenomenon that poses an increasing and considerable threat to fast expanding urbanization, and a great number of catastrophic events throughout the past attest thereof. For this reason, displacement predictions allowing for proper slope surveillance became a major concern.Early attempts to relate slope failures to seismic parameters are of empirical nature and date back to the 1980s. Although having proven stable, these relations are frequently disturbed by site effects causing outliers in terms of smaller or greater displacements than expected.The first part of this thesis presents a newly build chronological database of 277 globally distributed seismically and non-seismically induced landslides. A comprehensive statistical analysis was conducted on the data of this database with the main result that – statistically seen – the average geometrical shapes of landslides differ only proportionally.The second part of the thesis is dedicated to a comparative slope stability analysis of the Diezma Landslide (Spain) by means of three methods: the limit-equilibrium based NEWMARK-Method (1965) in 2D under elasto-perfectly-plastic conditions; finite-difference analysis in the time domain with the code FLAC in 2D and 3D under visco-elasto-perfectly-plastic conditions; and modal recombination analysis in the frequency domain with the finite-element code CESAR-LCPC in 2D and 3D under visco-elastic conditions.Located in a seismically active region, the Diezma Landslide is likely to be affected by earthquakes and was therefore considered as a suitable model case. A broad analysis of expected displacements was conducted using eleven strong-motion seismic scenarios. Moreover, the thesis searches for potential relations between macro-seismic parameters of the applied earthquake scenarios and the predicted deformations obtained from the three methods.It appeared that – due to the functionality of the methods – results differ quantitatively as well as qualitatively, and so does their suitability. Major findings are: (a) Results from the three methods are of different orders of magnitude and, thus, can easily lead to over- or under-estimations of displacements; (b) Both numerical methods reveal a strong influence of the model-geometry on the predicted displacements, whereas a scenario-dependent slope behavior manifested itself only within the finite difference analysis; (c) The switch from 2D to 3D does not necessarily result in a similar performance in each dimension and results must be critically judged before further use; (d) The NEWMARK-Method (1965) has proven itself once more to be appropriate for first slope assessments but not for sophisticated evaluations of ground response to seismic shaking