Effets de la pression interstitielle sur la réponse sismique des sols : modélisation numérique 1D/ 3 composantes

par Viet Anh Pham

Thèse de doctorat en Géotechnique

Sous la direction de Jean-François Semblat.

Le président du jury était Anne Mangeney.

Le jury était composé de Jean-François Semblat, Guy Bonnet, Céline Gélis, Maria Paola Santisi d'avila, Fabian Bonilla.

Les rapporteurs étaient Hideo Aochi, Denis Leboeuf.


  • Résumé

    Lors de séismes forts, la propagation des ondes sismiques dans les sols met en jeu des non linéarités de comportement qui se manifestent différemment selon le niveau de sollicitation. En effet, pour de faibles déformations (généralement <10^{-6}), une loi de comportement linéaire (i.e. module et amortissement indépendants du niveau de sollicitation) permet de reproduire les observations expérimentales sur site. En revanche, pour des déformations plus élevées, une loi de comportement non linéaire hystérétique est nécessaire pour décrire l'évolution de la rigidité et des dissipations énergétiques au cours de la sollicitation sismique. De plus, comme les séismes forts sont caractérisés par des amplitudes et des durées plus importantes, le rôle de la pression interstitielle ne peut pas être négligé pour les sols saturés sous fortes sollicitations (mobilité cyclique et liquéfaction). Ces phénomènes peuvent conduire à l'annulation des contraintes effectives et devenir cause de dommages sévères pour les structures et les ouvrages. L'analyse proposée élargit l'applicabilité des modèles de calcul actuels pour une analyse plus fine du risque sismique. En partant d'une formulation aux éléments finis décrivant la propagation des ondes sismiques suivant la direction verticale en prenant en compte le chargement en 3D (l'approche « 1D-3C» : une direction-trois composantes) dans les sols nonlinéaires secs, de nouvelles stratégies pour la prise en compte du rôle de l'eau sont développées. Le modèle de comportement est basé sur la relation entre la pression interstitielle et le travail de la contrainte de cisaillement. Ce modèle décrivant l'évolution de la pression interstitielle considère l'état de contrainte tridimensionnel du matériau. Le modèle est validé par comparaison avec des résultats expérimentaux. L'approche « 1D-3C » a été utilisée pour modéliser la réponse des sols pour 4 séismes réels : le séisme de Superstition Hills en 1987 aux États-Unis (M_{w}=6.7); le séisme de Tohoku en 2011 au Japon (M_{w}=9.1 ); le séisme de Kushiro en 1993 au Japon (M_{w}=7.8) et le séisme d'Emilie Romagne en 2012 en Italie (M_{w}=5.9). Pour les trois premiers séismes, des enregistrements en profondeur et en surface sont disponibles. L'étude de ces trois premiers cas rend possible la validation du modèle par comparaison des données enregistrées et calculées. Le modèle peut donc être considéré comme un outil fiable pour la prédiction de la réponse sismique des sols saturés

  • Titre traduit

    Effects of pore water pressure on the seismic response of soils : 1D/3 components modeling


  • Résumé

    During strong earthquakes, the seismic wave propagation in soils involves nonlinear behaviors strongly depending on the strain level. Indeed, for small strain (typically <10^{-6}), a linear constitutive law (modulus and damping independent on the load level) can reproduce the experimental observations on site. However, for larger strains, a nonlinear hysteretic constitutive law is needed to describe the evolution of stiffness and energy dissipation during seismic loading. In addition, as strong earthquakes are characterized by larger amplitudes and durations, the role of pore pressure cannot be neglected for saturated soils. Indeed pore water pressure controls phenomena such as cyclic mobility and liquefaction due to the loss of soil strength. This can lead to a fast decrease of effective stresses and permanent deformations in the soil causing severe damage to structures. This work extends the applicability of existing calculation models for a more detailed analysis of seismic risk. Starting from a FEM approach describing the propagation of seismic waves in the vertical direction, taking into account 3D loading (so-called "1D-3C" approach: 1 direction - 3 components) in nonlinear dry soils, new strategies to consider the role of water are developed. The model is based on the relationship between the pore pressure and the shear work. The three-dimensional stress state of the material is considered. The model is validated by comparison with experimental results. The "1D-3C" approach was used to model the response of soils for four real earthquakes: the Superstition Hills earthquake in 1987 in the United States (M_{w}=6.7), the Tohoku earthquake in 2011 in Japan (M_{w}=9.1), the Kushiro earthquake in Japan in 1993 (M_{w}=7.8) and the Emilia Romagna earthquake in Italy in 2012 (M_{w}=5.9). For the first three earthquakes, records at depth and on the surface are available. The study of the first three cases makes possible the validation of the model by comparing the calculated accelerations on the surface with the available records. The model can then be considered as an advanced tool for the prediction of the seismic soil response


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