Soutenance mémoire
Importance des terrains de couverture dans l’estimation de l’aléa et du risque sismique
Le risque sismique résulte de la combinaison de l’aléa sismique en un endroit donné, des enjeux (éléments exposés) et de leur vulnérabilité (http://www.planseisme.fr/Evaluationdu-risque-sismique,320.html). L’aléa sismique se définit comme le niveau d’agression sismique susceptible d’être atteint en un site donné. L’aléa sismique dépend des caractéristiques (magnitude, profondeur focale, type de rupture) des séismes susceptibles de se produire. A l’échelle locale, l’estimation de l’aléa sismique dépend aussi des modifications du mouvement sismique produites pas les structures géologiques locales (vallée sédimentaire, topographie). C’est ce qu’on appelle les « effets de site » qui conduisent à une modification de l’amplitude (atténuation ou amplification), du contenu fréquentiel et de la durée du mouvement du sol. En général, on distingue les effets liés à la nature des sols (effet lithologique) de ceux liés à la topographie (effet topographique). A ces effets peuvent se rajouter des effets induits : mouvements de terrain (glissements, chutes de blocs, embâcles), la liquéfaction des sols. L’ensemble de ces phénomènes est schématisé sur la Figure 1.2
Les effets de site lithologiques La Figure 1.3 présente trois configurations-types responsables d’amplifications locales qui sont liées à des contrastes de rigidité des terrains : une géométrie horizontale stratifiée 1D avec une couche meuble surmontant un substratum plus compétant, une géométrie complexe 2D ou 3D fermée comme un bassin sédimentaire surmontant un substratum rigide et un contraste latéral entre formations de rigidités différentes. A cause de ces contrastes de rigidité, les ondes sismiques sont piégées dans les matériaux meubles. Ce piégeage est à l’origine d’amplification des vibrations sismique particulièrement aux fréquences de résonance du site qui dépendent de la vitesse des ondes de cisaillement, de l’épaisseur des matériaux meubles et de leur géométrie. Dans le cas de géométries 2D ou 3D, cette amplification est accompagnée d’un allongement significatif de la durée des vibrations sismiques causée par la diffraction d’ondes de surface sur les bords de la structure qui se trouvent elles-mêmes piégées. Durant ces 30 dernières années, de nombreuses études réalisées après de gros tremblements de terre ont mis en évidence l’importance de ces effets de site lithologiques sur la distribution des dégâts : parmi d’autres, les séismes de Michoacan en 1985 (Chavez-Garcia et Bard, 1994), de Leninakan en 1988 (Field et al., 1995), de Loma Prieta en 1989 (Chin et Aki, 1991) et de Kobe en 1995 (Fukushima et al., 2000). Un des plus beaux « cas d’école » reste le séisme de Michoacan en 1985 qui, bien que localisé à 350 km de la ville de Mexico, a causé de très nombreux dommages dans la ville de Mexico notamment pour les bâtiments de 10 à 30 étages. Une des premières causes de ces destructions est la coïncidence des fréquences de résonance entre le sol et les bâtiments de 10 à 30 étages. En effet, l’étude de Chavez-Garcia et Bard, 1994 dans la vallée de Mexico a montré que les effets d’amplification linéaire pouvaient résulter de la variabilité des structures géologiques à grande échelle et à petite échelle. A grande échelle, ils ont remarqué que la vallée de Mexico repose sur des sédiments lacustres (argiles) très mous (vitesse d’ondes S de l’ordre de 80 m/s) de 40 m d’épaisseur environ surmontant des dépôts volcano-sédimentaires pouvant atteindre 500 m d’épaisseur et le substratum basaltique (Figure 1. 4 (a)). Cette couche d’argile contrôle la fréquence de résonance du sol observée à Mexico. A petite échelle, ils ont également remarqué la présence d’une couche de remblai superficielle d’épaisseur très variable (Figure 1. 4 (b)) et montré que cette structure en sandwich irrégulière, avec la couche d’argile molle comprise entre deux formations plus rigides (remblai en haut et substratum en bas), a été susceptible de contribuer à l’augmentation de la durée du mouvement du sol et une variabilité du mouvement sismique à la surface, associée à de probables effets destructifs.
Les effets de site topographiques La topographie du site peut contribuer à focaliser ou dé focaliser les ondes incidentes et générer une variabilité spatiale du mouvement sismique (CME, 2009) (Figure 1. 5). Les géométries plutôt convexes, les sommets des buttes, les crêtes allongées, les rebords de plateaux et de falaises ont tendance à amplifier (Bard, 1983, 1985 ; Maufroy et al., 2014) les mouvements sismiques notamment sur les composantes horizontales, de manière plus importante au sommet du relief qu’à son pied. Parmi les exemples les plus illustrés, on peut citer le séisme du 11 juin 1909 qui s’est produit dans le sud-est de la France, une partie de village de Rognes située sur une colline ayant subi d’importants dégâts et destructions (Figure 1. 6 (a)). Plus récemment, le violent séisme de Bam (2003) (Figure 1. 6 (b)) a complètement détruit la citadelle historique localisée sur un éperon rocheux vraisemblablement à cause des ondes amplifiées par la topographie (Delphine, 2007). A l’heure actuelle, les effets topographiques restent mal compris et sont pris en compte de façon forfaitaire dans la réglementation parasismique. Il existe de nombreuses modélisations numériques mais peu sont complètement validées par des observations (par exemple, Martin et Kobayashi, 2010). Une comparaison entre les résultats expérimentaux et théoriques de l’effet de la topographie sur le mouvement sismique effectué (Geli et al., 1988) montre en effet un bon accord qualitatif entre observations et modèles (amplification au sommet, fréquences des amplifications), mais un désaccord quantitatif sur les valeurs d’amplification. Les simulations numériques sous-estiment généralement les amplifications observées, ainsi que l’ont également mis en évidence d’autres études (Bard, 1995 ; Paolucci et al., 1999 ; Gaffet et al., 2000). Les raisons évoquées pour expliquer ce désaccord sont l’effet additionnel d’une structure lithologique hétérogène (Paolucci et al., 1999), des topographies voisines (Griffiths et Bollinger,1979) ou du caractère 3D d’un relief (Graizer, 2009). En conclusion, l’évaluation des effets de site topographique nécessite de bien prendre en compte les contributions Au dessus d’une couche de base d’argile surconsolidée (en jaune sur la figure), le sous sol est constitué d’une alternance de couches de sable, de limon et d’argile de 30 m d’épaisseur environ et montrant de fortes variations latérales de faciès. Sur pratiquement l’ensemble de la zone, ces formations naturelles sont recouvertes par des remblais de 0 à 20 m d’épaisseur. (b) Prédiction de l’amplification sismique (Intensité de Housner) le long de la coupe géologique : en rouge, pour la modélisation déterministe et, en noir, pour la modélisation probabiliste. (c) Exemple d’une réalisation de la variabilité spatiale des propriétés élastiques considérée dans chacune des unités géologiques (Pagliaroli et al., 2014). Cette hétérogénéité des couches de sol, associée à des contrastes importants de Vs traduisant des variations de compacité, contribue sans doute à générer un effet de site important, associé à une variabilité du mouvement du sol lors de séismes. Pagliaroli et al., 2014 ont réalisé une étude de sensibilité pour étudier les effets des incertitudes de paramètres d’entrée et l’hétérogénéité du sol sur le mouvement sismique. En particulier, ils ont étudié l’impact de la variation spatiale de Vs. La Figure 1. 7 (c) présente la distribution pour une simulation de la variabilité spatiale de Vs. On note des amplifications marquées à l’aplomb des variations latérales de structures importantes. Par ailleurs, l’introduction dans chaque couche géologique d’une variabilité spatiale sur Vs conduit à une variabilité spatiale plus importante de l’amplification en surface. Cet exemple illustre l’influence de la forte hétérogénéité des structures géologiques anthropiques de proche surface sur l’amplification du mouvement sismique et par suite sur la mise en place du microzonage sismique.
Sismique active « MASW »
L’analyse des ondes de surfaces (SW) est de plus en plus utilisée pour calculer la vitesse des ondes de cisaillement en fonction de la profondeur dans l’investigation du sous-sol (Socco et Jongmans, 2004; Socco et al., 2010). L’avantage des ondes de surface est qu’elles sont enregistrées avec les données de réfraction de l’onde P, si un enregistrement suffisamment long a été considéré lors de l’acquisition. Un point important pour pouvoir traiter les ondes de surface est l’utilisation de géophones à basse fréquence afin d’obtenir une profondeur de pénétration (dépendant de la longueur d’ondes) suffisante. La Figure 1. 22 décrit la procédure standard de la méthode d’inversion des ondes de surface, qui peut être subdivisée en trois étapes principales:
1. Acquisition des signaux;
2. Traitement du signal pour obtenir la courbe de dispersion expérimentale;
3. Inversion de la courbe de dispersion et estimation du profil de vitesse des ondes de cisaillement (Vs) avec la profondeur.
Les méthodes les plus populaires dans l’analyse des ondes de surface active sont :
SASW (Spectral Analysis of Surface Waves ) qui met en œuvre 1 source et deux récepteurs.
MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves) qui met en œuvre 1 source et plusieurs récepteurs
La première technique développée en sismique active fut le SASW (Nazarian et Stokoe, 1984). Les mouvements du sol sont enregistrés en deux points alignés avec une source impulsive (coup de masse sur une plaque de métal par exemple). Cette méthode, très simple, est cependant très sensible au bruit et ne permet pas de distinguer différents modes de propagation d’ondes de surface. La technique de MASW, introduite au début des années 1990 (Park et al., 1999), consiste à déployer une ligne de capteurs sismiques, espacées d’une distance constante, et d’enregistrer les vibrations produites par une source ponctuelle en surface (tir explosif, vibrations contrôlées, coup de masse, etc.), généralement localisée aux deux extrémités de la ligne, avec éventuellement un offset. Compte-tenu de la difficulté de générer des explosions en milieu urbain, il est commun d’utiliser comme source des coups de masse (3-10 kg) sur une plaque en métal ou en résine posée sur le sol. Compte tenu également du niveau de vibrations ambiantes, notamment au voisinage des voies de circulation, ces chocs sont répétés de 5 à 10 fois, et les signaux correspondants sont sommés après synchronisation (effectuée de façon automatique grâce à l’enregistrement direct de l’impact de la masse).Une limitation avec ce type de source est la difficulté de générer des ondes à basse fréquence et donc de pénétrer au-delà de quelques dizaines de mètres.
Réfraction des ondes de compression (P) et de cisaillement (SH)
La sismique réfraction mesure le temps que mettent les ondes sismiques (P et SH) pour atteindre les géophones depuis la source. L’interprétation des données temps d’arrivée – distance entre la source et les géophones permet de déterminer leurs vitesses de propagation et les épaisseurs des différentes couches rencontrées (Kearey et al., 2002). Dans notre étude, les ondes P sont générées par des “tirs” (aux deux extrémités de la ligne) correspondant à des coups de masse (5 kg) sur une plaque en acier posée sur le sol et enregistrés par des géophones verticaux, tandis que les ondes SH, enregistrées par des géophones horizontaux, sont générées en frappant sur les deux côtés d’une poutre en bois suffisamment chargée (par des personnes). Le schéma de la Figure 2. 7 montre un dispositif d’acquisition type, avec les 24 géophones avec deux points de tir déportés de 2 m à chaque extrémité du profil (offset de – 2 m et +48 m par rapport au géophone situé à x = 0 m). Les caractéristiques des profils réalisés sont repris dans le Tableau A. 6 présenté en Annexe A.3 Compte tenu du niveau de vibrations ambiantes, notamment au voisinage des voies de circulation, ces chocs sont répétés de 5 à 10 fois éventuellement à différents offsets. Afin d’améliorer le rapport signal sur bruit, les séries temporelles de ces chocs distincts, pour un même point de tir, ont été additionnés après resynchronisation.
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
Une campagne géotechnique et géophysique détaillée a été effectuée dans la plaine alluviale de Beyrouth (Liban), ville soumise à un fort risque sismique, en vue de caractériser la variabilité des couches alluviales. Le caractère essentiel de la structure du site est la mise en évidence d’une couche d’argile molle, peu profonde et d’épaisseur variable, qui affecte fortement les courbes de dispersion et provoque une superposition de modes. Il a été montré que la présence de cette couche à moindre vitesse, qui peut apparaître dans tout contexte alluvionnaire, interdit l’utilisation des méthodes classiques d’inversion des ondes de surface et génère un phénomène de résonance qui contribue à la réponse sismique du site. L’acquisition combinée de données géotechniques (N60) et géophysiques (Vs, ρ) a permis de quantifier les incertitudes reliées à la variabilité spatiale (verticale et horizontale) des propriétés du sol. Les lois des distributions qui ajustent aux mieux les histogrammes des données réelles de ces propriétés sont des lois Lognormale. Les structures d’autocorrélation des paramètres du sol suivent des fonctions exponentielles décroissantes. Pour l’hypothèse d’un sol homogène, la valeur de la distance d’autocorrélation verticale de Vs varie entre 0.5 m et 2 m. Cependant, pour le cas d’un sol stratifié. L’échelle de fluctuation verticale de N60varie entre 0,8 m et 1,2 m dans l’argile, et entre 0,6 m et 5 m dans le sable. Ces valeurs se situent dans la gamme de valeurs trouvées dans la littérature pour le sable (0,1- 5 m) et l’argile (0,1 m et 8 m). Pour Vs, cette échelle se situe aux alentours de 0,5 m dans le gravier et de 1 m dans l’argile. Ceci signifie que la couche de gravier en surface est plus variable que la couche d’argile. L’échelle de fluctuation horizontale de la résistivité électrique ρ varie entre 3,8 m et 10,4 m. Ces valeurs de situent dans la gamme de valeurs trouvées dans la littérature. Des simulations numériques, réalisées avec des modèles probabilistes unidimensionnels pour deux fonctions d’autocorrélation, ont montré que le type de fonction d’autocorrélation a un faible effet sur la réponse sismique, au contraire de la distance d’autocorrélation (θ). D’autre part, il est apparu que le principal facteur contrôlant la variabilité du sol est que le coefficient de variation (COVVs) plus que la distance d’autocorrélation (θ). Ensuite pour obtenir à des réponses sismiques plus réalistes et qui sont générées à partir de modèles de sol qui ont un sens physique, d’où l’importance de préciser un critère de sélection des profils Vs générés de manière probabiliste. Ce critère est tel que seuls les profils Vs dont les courbes de dispersion du mode fondamental des ondes de Rayleigh sont semblables, à une incertitude donnée près, à la courbe de dispersion du profil Vs du modèle déterministe sont retenues. Pour diminuer les gammes de variation du coefficient de variation soit par une augmentation de mesures site-spécifique pour différentes unités géologiques soit en prenant en compte la nature des différentes géologiques du sous-sol. Enfin, le sous-sol de la plaine alluviale de Beyrouth est profondément perturbé par l’activité humaine. L’application de la prospection géophysique a été rendu difficile suite à la présence d’éléments perturbateurs comme des surfaces bétonnées, des conduites d’eau, des travaux du génie civil ou le rejet de polluants. En particulier, ces derniers ont masqué la structure géologique du site sur les images électriques, pourtant à priori bien adaptées pour localiser la couche d’argile. Il n’existe donc pas de méthodologie standard de reconnaissance pouvant être mise en œuvre en milieu urbain. Cette étude souligne la nécessité d’adapter une stratégie au cas étudié et de combiner les méthodes géotechniques et géophysiques afin de caractériser la variabilité du sol dans ce type de contexte.
Perspectives :Ce travail ouvre des perspectives de recherches ultérieures sur les méthodes de reconnaissance et de modélisation. Un développement d’une stratégie de reconnaissance et des méthodes de prospection adaptées en milieu urbain est important afin de prendre en compte les perturbations potentielles. Ceci met en évidence la complémentarité des méthodes géophysiques et géotechniques. Parmi les pistes de recherche avenir possibles concernant les corrélations entre ces deux méthodes, on peut évoquer l’incorporation des données géotechniques dans l’inversion des données géophysiques ou une meilleure compréhension des relations entre les paramètres géophysiques et géotechniques incluant leurs différents échelles de résolution. A cet égard, le développement de techniques mesurant simultanément les paramètres géotechniques et géophysiques avec la même résolution paraît une piste prometteuse. On cite par exemple, le sismocône, qui est la combinaison d’un essai de pénétration au cône et d’un essai down-hole, permet d’obtenir un profil continu de la résistance du sol et de la vitesse des ondes de cisaillement (Mayne, 2001). D’autre part, des stratégies d’inversion des ondes de surface permettant de prendre en compte les sauts de modes peuvent être aussi explorées. Concernant la partie modélisation, le travail de cette thèse s’est limité à l’application de méthodes probabilistes pour une colonne de sol (i.e. géométrie 1D) et une rhéologie élastique sans prise en compte d’amortissement dans le sol. Les perspectives de cette partie concernent l’étude de l’effet des structures 2D et 3D sur la réponse sismique de la vallée alluviale de Beyrouth en utilisant les lois et paramètres statistiques quantifiés. L’introduction de l’amortissement dans les calculs 1D, 2D et 3D s’avère aussi très important. Aussi, l’étude de l’effet de la variabilité spatiale du sol sur les spectres de réponse est d’un grand intérêt pour la communauté d’ingénieurs Civil ainsi que pour les études de développement des codes parasismique locaux pour le Liban. Enfin, l’évaluation des effets de la variabilité des propriétés non linéaires du sol sur la réponse sismique permettra une modélisation plus réelle du comportement du sol.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : ETAT DE L’ART
1.1 Introduction
1.2 Hétérogénéité spatiale et topographique du sol
1.2.1 Les structures géologiques
1.2.2 Importance des terrains de couverture dans l’estimation de l’aléa et du risque sismique
1.2.3 Les effets induits
1.3 Contextes géologique et géotechnique du site de la plaine alluviale de Beyrouth
1.3.1 Le Liban
1.3.2 Géologie de Beyrouth
1.3.3 Les méthodes géophysiques
1.3.4 Les essais géotechniques
1.4 Relations entre paramètres géophysiques et géotechniques
1.5 Conclusion
CHAPITRE 2 : DETERMINATION DE LA STRUCTURE VS DE LA PLAINE ALLUVIALE DE BEYROUTH: INTERPRETATION COMBINEE DES DONNEES GEOTECHNIQUES ET GEOPHYSIQUES
2.1 Introduction
2.2 Localisation et caractéristiques d’acquisition des essais géophysiques et géotechniques
2.3 Résultats des mesures
2.3.1 Les essais géotechniques
2.3.2 Tomographie électrique
2.3.3 Méthodes sismiques
2.4 Structure de la plaine alluviale de Beyrouth
2.4.1 Structure géologique de la proche surface
2.4.2 La structure sismique (Vs) de la plaine alluviale
2.5 Conclusions
CHAPITRE 3 : CARACTERISATION DE LA VARIABILITE DU SOL
3.1 Introduction
PARTIE A – ETAT DE L’ART
3.2 Variabilité spatiale des propriétés du sol
3.2.1 Généralité
3.2.2 Loi de probabilité
3.2.3 Coefficient de variation
3.2.4 Notion de champs aléatoires
3.2.5 Notion d’homogénéité, d’isotropie et de stationnarité d’un champ aléatoire
3.2.6 Fonction d’autocorrélation et échelle de fluctuation
3.3 Quantification des incertitudes
3.3.1 Introduction
3.3.2 Quantification de la fonction d’autocorrélation et des échelles de fluctuation
3.3.3 Quantification du coefficient de variation
3.3.4 Quantification de la loi de distribution de probabilité
PARTIE B: CARACTERISATION DE LA VARIABILITE SPATIALE DU SOL
3.4 Quantification des incertitudes reliés aux propriétés du sol de Nahr‐Beyrouth
3.4.1 Méthode d’identification des champs aléatoires
3.4.2 Analyse de données
3.5 Résultats de la quantification des paramètres statistiques des propriétés du sol de Nahr Beyrouth
3.5.1 Variabilité verticale des valeurs N60 pour le cas d’un sol stratifié
3.5.2 Variabilité verticale des valeurs de Vs
3.5.3 Variabilité horizontale des valeurs de la résistivité électrique
3.6 Conclusion
CHAPITRE 4 : MODELISATION 1D PROBABILISTE DE LA REPONSE SISMIQUE D’UN SOL SPATIALEMENT HETEROGENE
4.1 Introduction
4.2 Méthode de modélisation
4.2.1 Modélisation de la variabilité spatiale : Discrétisation du champ aléatoire
4.2.2 Méthode de modélisation de la réponse sismique : FLAC2D
4.2.3 Comparaison entre FLAC2D et la méthode de réflectivité
4.3 Modélisation probabiliste de la réponse sismique 1D
4.3.1 Profil de sol et paramètres de l’étude de sensibilité
4.3.2 Propriétés du mouvement sismique en surface
4.3.3 Tests de convergence
4.3.4 Amplification (AF Amplification function)
4.3.5 Effet de la fonction et de la distance d’autocorrélation sur l’amplification
4.3.6 Effet de la sélection des profils de Vs
4.3.7 Effet du coefficient de variation sur Vs
4.3.8 Application à Nahr Beyrouth
4.4 Conclusions
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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