Stabilité des digues sous chargement sismique : vers une nouvelle génération de méthodes simplifiées

par Capucine Durand

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement

Sous la direction de Pierre-Yves Bard et de Emmanuel Chaljub.

Soutenue le 12-07-2018

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Frédéric Dufour.

Le jury était composé de Didier Clouteau.

Les rapporteurs étaient Jean-François Semblat, Eric Vincens.


  • Résumé

    Permettant de protéger les populations des inondations, de canaliser l'eau à des fins d'irrigation ou de production d'électricité, les digues en terre sont des ouvrages stratégiques dont la rupture peut avoir des conséquences dramatiques. La stabilité de ces ouvrages doit ainsi pouvoir être assurée, notamment en cas de séisme. Cependant, étant donné le très grand linéaire qu'ils représentent, la mise en œuvre de vastes campagnes de reconnaissances et de modèles numériques complexes n'est pas toujours envisageable dans les zones de sismicité modérée. L'utilisation d'outils simplifiés, faisant appel à des données facilement mesurables, se révèle indispensable pour fournir une indication sur la stabilité de tronçons de digue soumis à un chargement sismique. Les méthodes simplifiées existantes permettant d'estimer la réponse dynamique des remblais sont inadaptées au contexte des digues. En effet, alors que les digues sont pour la plupart construites dans des vallées sédimentaires, la majorité de ces méthodes, développées pour l’étude des barrages, supposent que l’ouvrage est fondé directement au rocher. Seules deux approches permettent de prendre en compte l’interaction entre l’ouvrage et son sol d’assise (effets de site) : la méthode de Sarma(1979) et celle de Papadimitriou(2014). Cependant, la première est basée sur des hypothèses très fortes (elle considère notamment un rocher rigide et un amortissement uniforme, qui plus est très fort) et la seconde se limite à des ouvrages ayant une hauteur supérieure à 20 si{m}. L'approche développée au cours de cette thèse repose sur des hypothèses plus réalistes, en considérant notamment des géométries adaptées à celles des digues, en prenant en compte les effets de site et en adaptant la dissipation d'énergie au niveau de sollicitation. Une étude paramétrique numérique (calcul de la réponse visco-élastique par éléments spectraux en deux dimensions) est utilisée pour couvrir un ensemble de configurations géométriques et mécaniques de digues. Pour prendre en compte la non-linéarité, les valeurs d'amortissement et de dégradation du module de cisaillement sont adaptées en chaque point des modèles à partir des résultats fournis par une série de calculs en linéaire équivalent 1D. Les réseaux de neurones artificiels, dont l'apprentissage est basé sur les résultats des simulations numériques, sont utilisés pour le développement d'une nouvelle méthode simplifiée. Des abaques sont réalisés, à partir des réseaux de neurones établis, pour offrir une alternative visuelle à leur utilisation "mathématiques". Les outils simplifiés auxquels aboutit cette thèse font appel à des paramètres facilement mesurables sur le terrain. Des méthodes géophysiques sont mises en œuvre au niveau de quatre sites de digues afin d'identifier le meilleur compromis de mesures permettant d'estimer les paramètres nécessaires à l'évaluation de la réponse dynamique de l'ouvrage.

  • Titre traduit

    Stability of embankments under seismic loading : towards a new generation of simplified methods


  • Résumé

    Embankments are strategic facilities that, among other things, protect population from flooding and canalize rivers for energy production or for irrigation concerns. Since their rupture can lead to terrible consequences, they must remain stable, especially in case of earthquake. However, given the very large length of embankments, it is rarely possible to conduct complete investigations and complex numerical models in regions of moderate seismicity. Therefore, simplified tools to estimate the dynamic response of embankments using accessible embankments’ features are necessary to estimate their capacity to resist seismic loadings. Existing simplified methods, generally developed to assess the dynamic response of embankment-dams, turn out to be inappropriate to study the particular case of embankments along rivers – or other types of embankment, with small height and large length. The majority of these simplified methods do not take into account site effects: they assume the presence of rock directly at the base of the embankment, whereas most of large length embankments are located in alluvial valleys. Two methods only - Sarma(1979) and Papadimitriou(2014) - take into account the interaction between the embankment and its soil foundation. However, the first one relies on strong assumptions (among others, that the bedrock is considered rigid and that the viscous damping is supposed to be both spatially uniform and very large) and the second one is limited to tall embankments (higher than 20 si{m}).The method developed in this thesis relies on assumptions that are more realistic: it considers geometries adapted to large length embankments, it accounts for the presence of a soil foundation and includes an energy dissipation process consistent with expected levels of strain. A numerical parametric study is performed based on the computation with the spectral element method of the viscoelastic response of a large set of embankments spanning a wide range of geometrical and mechanical properties. In order to take into account nonlinearity, damping and shear modulus reduction are adapted in each point of the numerical models according to the results of a set of 1D linear equivalent computations. A new simplified method is derived from the obtained numerical results using artificial neural networks. Abacuses are produced from the neural networks so that engineers can have at their disposal a visual tool. This thesis leads to a simplified method that uses some accessible features of embankments as input parameters. The ability of classical geophysical methods to provide those input parameters is further estimated on four sites corresponding to different realistic configurations.


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