Seismic response of tunnels in soils : From deterministic to probabilistic approaches

Réponse sismique des tunnels dans les sols : du déterministe à des approches probabilistes

• Auteur / Autrice : Qiangqiang Sun
• Direction : Daniel Dias, Orianne Jenck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 26/11/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sols, solides, structures, risques (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Victor Donzé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fernando Lopez-Caballero, Marwan Sadek
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gopal Madabhushi, Ioannis Anastasopoulos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Tunnels -- Conception et construction

Mots clés libres

Tunnel

Déterministe

Probabilistes

Réponse sismique

Probabilisitic

Tunnel

Deterministic

Seismic response

Résumé

Les tunnels constituent une des parties essentielles des systèmes d'infrastructure et jouent un rôle de plus en plus important dans le processus d'urbanisation. Néanmoins, de graves dommages, dont des effondrements, se sont produits et ont été recensés dans le monde entier au cours des dernières décennies. Par conséquent, la recherche sur la conception des tunnels notamment en zone sismique afin d’atténuer efficacement les risques et de réduire les pertes socio-économiques importantes dues aux tremblements de terre a reçu une attention croissante. D'autre part, de nouveaux défis tels que les tunnels de grande section excavés à l’aide de tunneliers dans des horizons multicouches, la perturbation du champ de contraintes induit par les tunnels, ainsi que l’incertitude des propriétés des sols, nécessitent une étude détaillée de leurs influences potentielles.Cette thèse vise à étudier la réponse sismique de tunnels à l'aide d'approches déterministes et probabilistes. Les analyses sont basées sur des simulations non linéaires bidimensionnelles utilisant le code de différences finies explicite FLAC. Tout d'abord, une évaluation critique de l'utilisation de l'amortissement de Rayleigh dans les modèles numériques non linéaires est menée afin de mettre en évidence son importance et de fournir des règles pour les analyses ultérieures. L'impact de la construction des tunnels a ensuite été intégré dans les modèles numériques en utilisant la méthode convergence-confinement. La réponse sismique des tunnels pour divers états de contrainte initiaux est ensuite présentée. Des études théoriques et numériques sont effectuées pour contribuer à une meilleure compréhension des mécanismes liées à la présence d’une couche de sol compressible sous-jacente pour la protection sismique des ouvrages souterrains. Enfin, l'incertitude des paramètres du sol est introduite dans les modèles numériques sous forme de variables aléatoires. La méthode probabiliste Sparse Polynomial Chaos Expansion combinée à une analyse de sensibilité globale et des simulations de type Monte Carlo sont utilisées pour identifier les variables les plus importantes et quantifier la variabilité des déformations sismiques en tunnel. Le travail présenté considère un système d’interaction sol/tunnel réaliste qui permet de fournir des informations précieuses sur le comportement des tunnels sous chargement sismique.

Tunnels are an essential part of infrastructure systems and play an ever-increasing role in the process of urbanization. Nevertheless, severe damage, including collapse, occurred and was reported worldwide in recent decades. Therefore, the research on the design of tunnel against seismic events to effectively mitigate risks and reduce large socio-economic losses due to earthquake disasters received increasing attention. On the other hand, new challenges such as large shield-driven tunnelling in multi-layered formations, tunnelling-induced stress perturbation, as well as uncertain soil property lead to the need for detailed investigation of their potential influences.This dissertation aims at investigating the tunnel seismic response using deterministic and probabilistic approaches. The analyses are based on two-dimensional nonlinear simulations using the explicit finite difference code FLAC. First, a critical assessment of the Rayleigh damping use in nonlinear numerical models is conducted to highlight its significant importance and to provide a selection guideline for the subsequent analyses. Then, the tunnel construction impact is incorporated in the numerical models with the convergence-confinement method. The tunnel seismic responses for various initial stress states are then presented. Next, theoretical and numerical studies are performed to reveal the mechanical mechanism of an underlying soft soil layer for the tunnel seismic protection. Finally, the uncertainty of the soil parameters is introduced into the model as random variables. The sparse polynomial chaos expansion based Global Sensitivity Analysis and the conventional Monte Carlo simulations are respectively utilized to identify the most important variables and quantify the variability in the tunnel seismic deformations. The presented work considers a more realistic soil-tunnel system, thus it provides valuable insights for the behavior of tunnels under seismic loadings.