Evaluation de la variabilité spatiale des paramètres géotechnique du sol à partir de mesures géophysiques : application à la plaine alluviale de Nahr-Beyrouth (Liban)

par Nancy Salloum

Thèse de doctorat en Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement

Sous la direction de Denis Jongmans et de Fadi Hage Chehade.

Soutenue le 30-04-2015

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec l'Université libanaise , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (Grenoble) (laboratoire) et de Institut des Sciences de la Terre (laboratoire) .

Le président du jury était Olivier Maquaire.

Le jury était composé de Denis Jongmans, Fadi Hage Chehade, Cécile Cornou, Tamara Al Bitar, Dalia Youssef Abdel Massih.

Les rapporteurs étaient Philippe Côte, Sadek Salah.


  • Résumé

    La variabilité spatiale des formations géologiques rend difficile la détermination des paramètres géotechniques nécessaires pour l'évaluation des aléas naturels (sismiques et gravitaires). Les méthodes d'imagerie géophysique, non-destructives et rapides, sont de plus en plus utilisées pour la reconnaissance de telles structures hétérogènes. Une campagne d'essais géophysiques et géotechniques a été réalisée dans la plaine alluviale de Beyrouth (Liban), ville soumise à un fort risque sismique, en vue de caractériser la variabilité des couches alluviales. Les résultats combinés ont permis de caractériser la structure 3D du site et de détecter la présence d'une couche d'argile molle, peu profonde et d'épaisseur variable. Cette couche de faible compacité, qui a rendu complexe l'interprétation des courbes de dispersion des ondes de surface, a une influence importante sur la réponse sismique du site. Les incertitudes reliées à la variabilité spatiale des propriétés géotechnique (N60) et géophysiques (Vs, ρ) ont pu être quantifiées au sein des couches rencontrées et les fonctions de distribution de ces paramètres ont été déterminées dans chaque couche à partir de ces essais, à la fois verticalement et horizontalement. Les valeurs de distance d'autocorrélation verticale (Vs, N60) et horizontale (ρ) obtenues ainsi que les valeurs de coefficient de variation se situent dans la gamme de valeurs trouvées dans la littérature. La réponse dynamique (amplification spectrale) de la plaine alluviale de Beyrouth a été simulée avec des modèles probabilistes unidimensionnels, et l'effet des trois paramètres statistiques (loi d'autocorrélation, distance d'autocorrélation et coefficient de variation) décrivant les variabilités des propriétés élastiques du sol (Vs) a été quantifié. Pour obtenir des réponses sismiques réalistes, un critère de sélection des profils Vs générés de façon probabiliste a été introduit afin de ne retenir que les profils compatibles (dans une gamme d'incertitude) avec la courbe de dispersion établie. Les modélisations probabilistes ont montré des différences significatives par rapport aux modélisations déterministes. Le principal paramètre probabiliste contrôlant l'amplification spectrale est le coefficient de variation, suivi de la distance d'autocorrélation, alors que le type de loi a peu d'influence. Enfin, nous avons vu que l'activité humaine peut avoir une influence significative sur l'application des méthodes géophysiques en site urbain. La compréhension d'un milieu complexe dans ce contexte nécessite de combiner toutes les méthodes géotechniques et géophysiques d'investigation afin d'obtenir un modèle robuste 2D/3D de la structure du sol

  • Titre traduit

    Evaluation of the spatial variability of geotechnical parameters of soil from geophysical measurements : application to the alluvial plain of Nahr Beirut (Lebanon)


  • Résumé

    The spatial variability of geological formations makes it difficult to determine the geotechnical parameters necessary for the evaluation of natural hazards (seismic and gravity). The geophysical imaging methods, non-destructive and fast, are now increasingly used for heterogeneous structures of sub-surface recognition. Geophysical and geotechnical tests were carried out in the alluvial plain of Beirut (Lebanon), city with high seismic risk, to characterize the variability in the alluvial layers. Analyses of these tests were used to characterize the 3D structure of the site and to detect the presence of a shallow soft clay layer of variable thickness. This layer of low compactness, which made the interpretation of dispersion curves of surface waves complex, could be of prime importance for seismic response of the site. Using all the collected data, the uncertainties related to the spatial variability of geotechnical (N60) and geophysical (Vs, ρ) properties of soil were quantified in the layers encountered and the distribution functions of these parameters were determined in each layer, in both directions (vertical and horizontal). The autocorrelation distance in the vertical (Vs, N60) and horizontal (ρ) directions and the coefficient of variation are within the range of values founded in the literature. The dynamic response (spectral amplification) of the alluvial plain of Beirut was modeled by one dimensional probabilistic model and we quantified the effect of the three statistical parameters (autocorrelation function, autocorrelation distance and coefficient of variation) describing the elastic variability properties of soil (Vs). To obtain realistic seismic responses, we proposed a probabilistic (Vs) profile selection criteria in order to retain only compatible profiles (in a range of uncertainty) with the obtained dispersion curve. Probabilistic modeling showed significant differences from the deterministic modeling. It appeared that the main factor controlling probabilistic spectral amplification is the coefficient of variation (COVVs) followed by the autocorrelation distance, while the type of autocorrelation function has little influence. Finally, Human activity was also found to have a significant influence on the application of geophysical prospecting at this urban site. This case illustrates the need of combining investigation methods in order to understand the geophysical measurements in a complex medium and to reach a robust 2D/3D model.


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