Ce travail de thèse s'inscrit dans le cadre du programme de recherche européen SESAME (Site EffetcS using AMbient Excitations) dont l'objectif est de définir les limites et les possibilités de la méthode H/V basée sur le bruit de fond sismique. Située en amont de ce programme, cette thèse a pour objectif de déterminer la nature du bruit de fond sismique afin de mieux comprendre les principes et le domaine de validité de la méthode H/V. Par une double approche (numérique et expérimentale) nous apporterons des réponses aux questions suivantes : qu'est ce que le bruit de fond ? Quelle est son origine ? Quelle est sa nature ? De quelles ondes est-il composé ? Ondes de volume, ondes de surface ? Nous montrons que les réponses à ces questions ne sont pas univoques, la composition physique du champ d'ondes du bruit de fond sismique, et donc l'origine du pic H/V, est influencée 1) par les caractéristiques du sol (notamment par la valeur du contraste d'impédance entre les sédiments et le rocher) ; 2) par la localisation spatiale des sources de bruit. Un des résultats importants de cette thèse est que, quelle que soit l'origine du pic H/V (ellipticité des ondes de Rayleigh, phase d'Airy des ondes de Love, ou résonance des ondes S), la fréquence du pic observé sur les courbes H/V donne une estimation correcte de la fréquence de résonance d'une structure sédimentaire 1D. En revanche, nous montrons les limites de la méthode pour estimer la valeur d'amplification d'un site.

Les séismes sont connus comme des catastrophes naturelles destructrices et meurtrières. Particulièrement dans les régions montagneuses, les effets des séismes sont encore beaucoup plus aggravés à cause des effets de site topographiques. La présence d'une pente est à l'origine d'une amplification du signal sismique notamment dans le voisinage de la crête. De nombreux séismes anciens tels que le séisme de Lambesc (1909, Ms=6.2) qui a conduit à la destruction du village de Rognes (Bouches-du-Rhône, France), ou plus récemment le séisme d'Athènes en Grèce (1999, Ms=5.9) qui a endommagé la ville d'Adames ainsi que les séismes de Chichi à Taiwan (1999, Mw=7.6), du Salvador (2001, Mw=7.6) et du Sichuan (2008, Mw=7.9) responsables de très nombreux glissements de terrain particulièrement catastrophiques sont des exemples représentatifs. Les investigations post-sismiques ont montré une contribution importante des effets de site topographiques au bilan des dommages humains et matériels. Dans le but d'améliorer les connaissances de ce phénomène, de nombreuses simulations numériques ont été réalisées sur des modèles de versant isolés en utilisant le logiciel FLAC 2D (Itasca). Les résultats obtenus ont été analysés en considérant plusieurs critères comme les facteurs d'amplification, les surfaces et les dimensions des zones d'amplification ainsi que la distribution spatiale de ces zones dans le massif de versant. Des études paramétriques ont permis de mettre en évidence le rôle principal de la fréquence adimensionnelle, rapport de la hauteur du versant à la longueur d'onde du signal sismique, dans l'évaluation des effets de site topographiques. Ces résultats montrent également que la pente est le deuxième paramètre important, suivie du coefficient de Poisson et de la géométrie de la crête et du pied de la pente.Ces résultats numériques ont également permis de définir des relations empiriques, nommées ANS, qui permettent d'estimer les effets de site topographiques selon les différents critères d'interprétation. Ces formules sont adaptées pour les signaux sismiques avec une bande de fréquences prédominantes relativement étroite. Pour les autres cas, la Méthode de Décomposition des ondes (MD) a été développé dans ce travail. Cette méthode est basée sur la décomposition du signal complexe multi-fréquentiel en plusieurs ondes mono-fréquentielles par transformée de Fourier. L'effet du signal complexe est alors évalué en faisant une combinaison des effets individuels de chaque onde élémentaire. Ces approches développées dans ce travail (ANS et MD) permettent d'évaluer les effets de site topographiques, en tenant compte de plusieurs paramètres géomorphologiques et sismiques du massif de versant ainsi que du contenu fréquentiel du signal sismique, sans avoir recours à des simulations numériques. / Earthquakes are known as destructive and murderous natural catastrophe. Particularly in the mountainous regions, the effects of earthquakes are still much aggravated due to the topographic site effects. The presence of a slope causes an amplification of the seismic signal, particularly in the vicinity of the crest. Numerous earthquakes in the past such as the 1909 Lambesc earthquake (Ms=6.2) which led to the destruction of the Rognes village (Bouches-du-Rhône, France), or more recently the 1999 Athens, Greece earthquake (Ms=5.9) which damaged the Adames city as well as the 1999 Chichi, Taiwan earthquake (MW=7.6), the 2001 El Salvador earthquake (MW=7.6) and the 2008 Sichuan earthquake (MW=7.9) responsible for numerous catastrophic landslides are representative examples. Post-seismic investigations demonstrated a significant contribution of topographic site effects on the human and material damage assessment.In order to improve the knowledge of this phenomenon, numerous numerical simulations were performed on the step-like slope models by using the FLAC 2D software (Itasca). The obtained results were analyzed by considering various criteria such as amplification factors, dimensions and area of amplification zones as well as spatial distribution of these zones inside the slope mass. The parametric analyses allow underlining the principal role of the dimensionless frequency, ratio of the slope height to the wavelength of the seismic signal, in the evaluation of topographic site effects. These results also show that the slope angle is the second important parameter, followed by the Poisson's ratio and the geometry of the crest and of the toe of slope.These numerical results allow pointing out empirical equations, called ANS, which can be used to estimate the topographic site effects according to different interpretation criteria. These formulas are suitable for seismic signals with a relatively narrow band of predominant frequencies. For other cases, the method concerning decomposition of seismic incident wave (MD) was developed in this work. This method is based on the decomposition of the complex multi-frequency seismic signal into multiple mono-frequency waves by using Fourier transform. The effect of the complex signal is then evaluated through a combination of the effects of elementary waves. The approaches developed in this work (ANS and MD) allow evaluating the topographic site effects, by taking into account geomorphologic and seismic parameters of the slope as well as the frequency content of the seismic signal, without recourse to numerical simulations.

Le constat récurrent de dégâts sismiques fortement influencés par les effets de site attire l'attention sur la nécessité d'améliorer les outils permettant leur estimation a priori. Les contraintes budgétaires font cependant du développement de méthodes peu onéreuses un objectif crucial. Les mesures de bruit de fond, méthode géophysique utilisant les vibrations ambiantes, correspondent à ce type de besoin.<br />Le but de cette thèse est de développer et de valider des méthodologies opérationnelles utilisant le bruit de fond pour une prise en compte robuste et satisfaisante des effets de site dans un contexte réglementaire.<br />Cette thèse comprend deux volets principaux :<br />- Tout d'abord le développement d'un protocole sur les méthodes utilisant le bruit de fond, dans le but de qualifier la détermination sur un site de la fréquence fondamentale f0 (mesures "H/V") et de la vitesse moyenne des ondes de cisaillement sur les z 1ers mètres Vsz (mesures en réseau) ;<br />- Puis l'établissement d'une fonction empirique décrivant l'amplification d'un site en fonction des deux seuls paramètres f0 et Vsz. Cette étude est effectuée à partir des données japonaises Kik-net: les paramètres f0 et Vsz ont pu être estimés de façon fiables pour près de 500 sites, de même que leur fonction d'amplification entre les enregistrements en surface et en profondeur. Après correction de l'effet de profondeur et normalisation pour se ramener à une fonction d'amplification par rapport à un rocher affleurant "standard", une analyse statistique permet alors de définir la fonction cherchée, qui s'avère sensiblement meilleure que les coefficients de site proposés dans les règlementations actuelles type EC8.

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

Dans cette thèse, des simulations numériques ont d'abord été effectuées avec le logiciel FLAC (Itasca) sur un modèle de pente élastique linéaire homogène pour caractériser l'amplification de l'accélération le long de la surface située le long et à l’arrière de la crête d'une pente, et évaluer ainsi l'effet de la topographie sur l'amplification de l'accélération. L'interaction entre la fréquence du signal sismique appliqué à la base du modèle et l'angle et la hauteur de la pente a été particulièrement étudiée. Il a été constaté que le facteur d’amplification de l’accélération varie de manière significative avec l’angle de et la hauteur de la pente, la fréquence et la durée (nombre de cycle) du signal. De plus, l'amplification du mouvement du sol due à la topographie de la pente est influencée de manière significative par l'effet de couplage complexe entre les ondes incidentes et les ondes réfléchies sur la topographie, et qu’elle est fortement contrôlée par le rapport entre la longueur d'onde du signal incident et la hauteur de la pente.Les simulations numériques sont basées sur une étude géotechnique et une modélisation géomécanique nécessitant de valider les résultats par des comparaisons entre les résultats de modélisations et les données provenant des observations sur le terrain. L’analyse des domaines de fréquence, telle que la densité spectrale et la réponse en fréquence, est un moyen performant pour comprendre les caractéristiques des processus et les divers phénomènes qui ne peuvent pas être expliqués dans le domaine temporel. À cette fin, une étude de la crête du parc Xishan à Zigong au Sichuan en Chine a été réalisée. Les amplifications du site associées au mouvement du sol produit par le séisme de Wenchuan en 2008 ont été évaluées à l'aide de la technique du rapport spectral standard (SSR) et de la méthode d'accélération quadratique moyenne (arms) dans le domaine temporel. Une analyse numérique à 2D utilisant la méthode des différences finies au moyen du logiciel FLAC (Itasca) a été ensuite mise en œuvre et les résultats ont été comparés aux mesures de terrain. Les pics “simulés” des amplifications spectrales sont toujours inférieurs à ceux dérivés des enregistrements de terrain. L'effet d'atténuation important sur le mouvement d'entrée pour les hautes fréquences met en évidence le fait qu'un rapport d'amortissement du signal ne représente pas correctement la dissipation d'énergie dans les simulations numériques. Des amplifications significatives se sont produites à des fréquences élevées (> 10 Hz) et sont considérées comme résultant de conditions locales spécifiques telles que la fracturation des roches et les marches de faîtage; ils ne se produisent donc pas nécessairement au sommet de la colline.Enfin, des études paramétriques ont été réalisées avec des modèles élastiques en termes de diverses géométries de pente 2D et de couches géologiques de subsurface pour caractériser les amplifications du mouvement du sol. L’analyse paramétrique a pour but de comprendre le rôle joué par ces couches de surface, l’angle de la pente et la hauteur de la pente sur l’amplification du mouvement du sol,et donc d’évaluer si l’amplification du site peut être responsable du déclenchement du glissement de terrain. Ensuite, l'analyse dynamique sur des modèles de pente pour différentes magnitudes a été effectuée et une rupture de pente basée sur le déplacement a été créée pour évaluer la stabilité de la pente du site de Las Colinas au Salvador. Les résultats numériques ont clairement montré que les effets de site peuvent avoir induit d'importantes amplifications du mouvement du sol qui ont contribué à déclencher des glissements de terrain. / In this research work, numerical simulations using the finite difference FLAC software (Itasca) were first conducted with a homogeneous linear elastic slope model in order to characterize the acceleration amplification along the slope surface and behind the slope crest, and then to evaluate the topographic effect on the acceleration amplification. The interaction between the frequency of the seismic input motion applied at the base of the model with the slope angle and height has been deeply investigated. It was found that significant changes in the acceleration amplification factor result from variations in the slope angle and height as well as the signal frequency and duration. In addition, it has been shown that the ground motion amplification due to slope topography result from complex coupling effects between the input waves and the reflected waves on the topographic features and is highly controlled by the ratio between the wavelength of the input signal and the slope height.Numerical simulations are based on geotechnical investigations and geotechnical modeling, and it is necessary to validate the results through comparisons between modeling results and field observations. Frequency domain analysis such as spectral density and frequency response are an effective way to understand process characteristics and the various phenomena that cannot be explained in the time domain. For this purpose, a case study at Xishan Park ridge in Zigong in China has been studied. Site amplifications associated with the ground motion produced by the 2008 Wenchuan earthquake have been evaluated using the Standard Spectral Ratio (SSR) technique and root-mean-square acceleration (arms) method in time domain. 2D numerical analysis using finite difference method using the FLAC software (Itasca) has been then performed and results have been compared with monitoring data. The “simulated” peaks of the spectral amplifications are always lower than those derived from the field records. The strong attenuation of input motion at high frequencies highlights the shortcoming that a signal damping ratio does not adequately represent the energy dissipation in numerical simulations. Significant amplifications occurred at high frequencies (>10 Hz) and are considered to result from local specific conditions such as rock fracturing and ridge steps; thus they do not necessarily occur at the top of the hill. Finally, parametric studies were performed with elastic models in terms of various 2D slope geometries and geological layers to characterize the ground motion amplifications. The purpose of the parametric analysis is to understand the role of the geological layer, slope angle and slope height on the ground motion amplification, and thus to estimate if site amplifications could be responsible for the triggering of landslide. Then, the dynamic analysis on the slope model for different seismic magnitudes was performed and a slope failure based on displacement was created to evaluate the Las Colinas slope stability in Salvador. The numerical results clearly showed that site effects can have induced significant ground motion amplifications that contributed to trigger landslides.

linéarités de comportement des sols Cette thèse traite de la réponse locale de bassins sédimentaires à des mouvements sismiques faible et fort en utilisant la modélisation numérique (SEM et FEM). A faible niveau de distorsion, des configurations théoriques 3D et 2D sont prises en compte pour l'étude des effets de site linéaires: dans le cas de bassins 3D à symétrie de révolution, on identifie les conditions d'existence de la «résonance 3D» en fonction des paramètres géométriques et rhéologiques. Dans le cas 2D, la réponse sismique de deux vallées alpines est modélisée: les résultats sont cohérents avec les phénomènes observés dans la réalité. A fort niveau de distorsion, la formulation théorique 3D d'un modèle viscoélastique non linéaire (VNL) est proposée. Son implémentation par la méthode des éléments finis dans le cas 1 D permet de l'appliquer à un cas réel (Kushiro, 1993). Les résultats obtenus sont comparés à ceux d'autres modèles (linéaire équivalent et élastoplastique) et à l'enregistrement réel de surface.

Ce travail est consacré à l'étude des données accélérométriques de la france métropolitaine, issues du Réseau Accélérométrique Permanent (RAP), en cours d'installation depuis 1996, pour caractériser l'aléa sismique. Il existe de nombreux modèles empiriques de prédiction des mouvements forts valables pour les régions sismiquement très actives (USA, Japon...), mais leur utilisation dans le contexte français nécessite la ré-évaluation de paramètres tels que les magnitudes et les conditions de site.<br /><br />Dans un premier temps, l'analyse des données de séismes modérés a permis d'établir une échelle homogène de magnitudes issues du moment sismique. Par ailleurs, les réponses de site des stations du réseau RAP ont été calculées pour les Pyrénées, les Alpes et le fossé Rhénan. Enfin, les phénomènes d'atténuation au niveau de la France semblent présenter des variations régionales. En se basant sur les résultats précédents, l'applicabilité de certains modèles empiriques de mouvements forts a été démontrée, à partir des séismes les plus importants enregistés par le RAP

Ce travail de recherche se situe dans le cadre du développement de la méthode des éléments de frontière (BEM) pour les milieux poreux multiphasiques. À l'heure actuelle, l'application de la BEM aux pr oblèmes des milieux poreux non-saturés est encore limitée, car l'expression analytique exacte de la solution fondamentale n'a pas été obtenue, ni dans le domaine transformé ni dans le domaine réel. Ceci provient de la complexité du système d'équations régissant le comportement des milieux poreux non-saturés. Les développements de la BEM pour les sols non-saturés effectués au cours de cette thèse sont basés sur les modèles thermo-hydro-mécanique (THHM) et hydro-mécanique (HHM) présentés dans la première partie de ce mémoire. Ces modèles phénoménologiques basés sur la théorie de la poromécanique et les acquis expérimentaux sont obtenus dans le cadre du modèle mathématique présenté par Gatmiri (1997) et Gatmiri et al. (1998). Après avoir présenté les modèles THHM et HHM, on établit pour la première fois les équations intégrales de frontière et les solutions fondamentales associées pour un milieu poreux non-saturé sous chargement quasi-statique pour les deux cas isotherme (2D dans le domaine de Laplace) et non-isotherme (2D et 3D dans les domaines de Laplace et temporel). Aussi, les équations intégrales de frontière ainsi que les solutions fondamentales 2D et 3D (dans le domaine de Laplace) pour le modèle dynamique couplé des sols non-saturés sont obtenues. Ensuite, les formulations d'éléments de frontière (BEM) basées sur la méthode quadrature de convolution (MQC) concernant les milieux poreux saturé et non-saturé sous chargement quasi-statique isotherme et dynamique sont implémentées dans le code de calcul " HYBRID ". Ayant intégrées les formulations de BEM pour les problèmes de propagation d'ondes ainsi que pour les problèmes de consolidation dans les milieux poreux saturés et non-saturés, il semble que nous ayons fourni à l'heure actuelle le premier code de calcul aux éléments de frontière (BEM) qui modélise les différents problèmes dans les sols secs, saturés et non-saturés. Une fois le code vérifié et validé, des études paramétriques portant sur des effets de site sismiques sont effectuées. Le but recherché est d'aboutir à un critère simple, directement exploitable par les ingénieurs, combinant les caractéristiques géométriques et les caractéristiques du sol, permettant de prédire l'amplification du spectre de réponse en accélération dans des vallées sédimentaires aussi bien que vides

La vitesse des ondes de cisaillement (Vs) est un parametre elastique permettant de caracteriser la compacite des formations superficielles. Il joue un role essentiel aussi bien en sismologie appliquee, dans l'estimation des effets de site ou du potentiel de liquefaction des sols, qu'en geotechnique pour la reconnaissance des glissements de terrain. Ce travail de these s'interesse aux differentes techniques sismiques permettant d'obtenir les valeurs de Vs a l'echelle de la dizaine a la centaine de metres de profondeur. Il vise a evaluer les capacites de ces methodes et a definir une strategie de reconnaissance des sites en fonction de leur complexite. La premiere partie du travail est consacree a l'evaluation de la fiabilite de l'inversion des ondes de surface pour des milieux stratifies horizontalement. En collaboration avec d'autres laboratoires europeens, les methodes de sismique active et passive ont ete appliquees sur 20 sites accelerometriques europeens pour lesquels des profils verticaux de Vs etaient disponibles a partir d'essais en forage. La comparaison des resultats montre que les profils de Vs obtenus par les techniques sismiques de surface sont comparables a ceux deduits des methodes en forage pour les sites mous (Vs30 < 600 m/s) mais fournissent des vitesses plus faibles pour les sites compacts. De plus, l'information fournie par les courbes de dispersion obtenues est apparue suffisante pour la caracterisation des sites selon la classification EC8. Sur la base des profils Vs mesures, une etude theorique sur l'inversion de la courbe de dispersion du mode fondamental de Rayleigh a ete realisee pour des sites presentant un contraste marque entre socle et sediments. Une strategie d'inversion en deux etapes, permettant de contraindre la profondeur du substratum durant l'inversion, a ete definie sur des cas synthetiques et a ete appliquee avec succes sur des cas reels stratifies horizontalement. Le cas de sites de geometrie plus complexe est aborde dans la deuxieme partie. L'inversion des courbes de dispersion obtenues par sismique active (donnees synthetiques et reelles) et passive (donnees synthetiques) au-dessus d'une interface en pente a fourni des profils de vitesse presentant un gradient de vitesse et une mauvaise estimation des vitesse et/ou profondeur du demi-espace. Une procedure a ete definie afin de detecter les sites 2D/3D, a partir des donnees des 20 sites accelerometriques europeens et des donnees du glissement de terrain d'Avignonet (Isere, France). Cette procedure, basee sur les observables de la sismique active (sismogrammes, spectrogramme spatial, comparaison de courbes de dispersion) et de la sismique passive (forme du rapport H/V, variations laterales de la frequence du pic H/V), vise a adapter le choix des techniques d'imagerie lors de la caracterisation de site. Dans la troisieme partie, la technique d'inter-correlation du bruit ambiant est appliquee au glissement de terrain d'Avignonet. Treize stations sismologiques ont ete deployees durant deux semaines sur le site et une inversion tomographique des temps d'arrivees mesures par inter-correlation a fourni des cartes frequentielles de vitesse de groupe des ondes de Rayleigh. L'inversion de ces donnees a permis d'obtenir une image 3D en Vs du glissement de terrain jusqu'a 100 m de profondeur. Enfin, l'evolution avec le temps des correlations calculees entre 2 stations permanentes sur le glissement suggere une legere diminution de la vitesse sismique au cours des trois ans d'enregistrement. Ces resultats montrent l'interet des techniques d'inter-correlation du bruit ambiant pour la reconnaissance tridimensionnelle de milieux heterogenes et le suivi temporel de l'activite des glissements de terrain.

Dans ce travail on cherche à définir , par la modélisation numérique (logiciel FLAC), les causes à l'origine du déclenchement des mouvements de versant sous sollicitations dynamiques. Plus particulièrement, on s'intéresse aux corrélations entre la distribution des mouvements sismiques au sein des versants ( effet de site) et, le déclenchement et les caractéristiques des mouvements de versant. Les analyses paramétriques d'effets de site et de stabilité des pentes réalisées sur des modèles élémentaires ont montré que, lorsque l'accélération maximale du signal sismique incident est faible, les versants sont plus sensibles aux signaux ssismiques de contenu fréquentiel basse fréquence car ce type de signal sismique génère des amplifications fortes et pérennes sur un plus grand volume sous la crête des versants que les signaux sismiques plus haute fréquence.