Made available in DSpace on 2015-03-13T17:08:23Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LucianoFCJ.pdf: 1898824 bytes, checksum: ceb5971b03c32817c3191b8feacf5ac8 (MD5) Previous issue date: 2001-02-21 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / This study describes brittle deformation and seismicity in the Castanh?o Dam region, Cear? State, Brazil. This reservoir will include a hidroeletric power plant and will store about 6,7 billions m3 of water. Five main litostratigraphic unit were identified in the region: gneissic-migmatitic basement, metavolcanosedimentary sequence, granitoid plutons of Brasiliano age, Mesozoic basaltic dike swarm, and Cenozoic fluvial terraces of the Jaguaribe river. The region has experienced several faulting events that occurred at different crustal levels. Faults formed at depths less than about 12 km present left-lateral movement and are associated with epidote and quartz infillings. Faults formed at depths less than 7 km are mainly strike-slip present cataclastic rocks, fault breccia and gouge. Both fault groups form mainly NE-trendind lineaments and represent reactivation of ductile shear zones or new formed faults that cut across existing structures. Seismically-induced liquefaction fractures take place in Cenozoic terraces and indicate paleoearthquakes that may have reached at leat 6,8 MS. In short, this work indicate that the level of paleoseismicity is much greater than one observed in the instrumental record. Several faults are favourably oriented for reactivation and induced seismicity should be expected after the Castanh?o Dam impoudment / O presente estudo descreve os aspectos deformacionais fr?geis e a sismicidade na regi?o que ser? inundada pelo reservat?rio do A?ude do Castanh?o, por??o leste do estado do Cear?. O lago artificial ter? a capacidade para armazenar em torno de 6,7 bilh?es de m3 de ?gua. Tamb?m ? planejada a instala??o de uma usina hidroel?trica de pequeno porte. Cinco principais unidades litoestratigr?ficas foram identificadas na regi?o: complexo gn?issico-migmat?tico, seq??ncia metavulcanosedimentar, granit?ides brasilianos, enxame de diques bas?lticos mesoz?icos e terra?os fluviais do Rio Jaguaribe. As falhas indicam a presen?a de sucessivos eventos de reativa??o em n?veis crustais diferentes. As falhas de n?vel crustal profundo (at? 12 km), apresentam uma cinem?tica transcorrente e s?o associadas com preenchimento de ep?doto ou quartzo. As falhas de n?vel crustal intermedi?rio a raso (at? 7 km), s?o principalmente transcorrentes, estando associadas ? cataclasito, brecha e gouge de falha. Ambos os grupos de falhas apresentam um trend principal NE, que pode representar a reativa??o de zonas de cisalhamento d?cteis ou a exist?ncia de eventos fr?geis cenoz?icos. Na ?rea existem v?rias evid?ncias de sismitos, estruturas geol?gicas geradas por paleossismos, em n?veis conglomer?ticos nos Terra?os Fluviais do Rio Jaguaribe, que indicam a ocorr?ncia de sismos com magnitude 6,8 MS, no m?nimo, na regi?o. Assim sendo, a regi?o que ser? inundada do A?ude do Castanh?o, e sua circunvizinhan?a, no decorrer do tempo j? foi atingida por in?meros abalos s?smicos. T?m-se registros hist?ricos, instrumentais e geol?gicos claros destas atividades. Com base nestas informa??es, pode-se afirmar que a regi?o ? predisposta a ser afetada por tremores de terra. Mas isto n?o significa que a obra do A?ude do Castanh?o futuramente poder? ser atingida ou danificada por algum abalo que venha a ocorrer, pois a constru??o est? preparada para resistir, no m?nimo, aos maiores abalos s?smicos j? registrados at? o presente momento na regi?o

La liquéfaction des sols s'observe lors de forts séismes dans des zones saturées en eau et peut causer un enfoncemenl des bâtiments dans le sol. On propose ici un nouveau modèle qui explique de nombreux cas de liquéfaction incompris jusque là. Un modèle analytique de milieu granulaire a été conçu avec une sphère modélisant un bâtiment. Le milieu est soumis à une oscillation horizontale et on caractérise l'état liquéfié par l'amplitude d'enfoncement de la sphère. On suppose que la liquéfaction a lieu lorsque la secousse permet aux grains du milieu de glisser les uns sur les autres. La fenêtre d'accélération permettant ce glissement dépend de la hauteur d'eau dans le milieu, du coefficient de frottement et de la densité du matériau. Les expériences et les simulations numériques réalisées confirment nos prédictions précédentes, caractérisent la micromécanique des milieux liquéfiés, expliquent la vitesse de pénétration de la sphère et ouvrent des pistes pour l'étude des sables mouvants. / Sail liquefaction happens during important earthquakes in water-saturated zones and can make the buildings sink in the soil. A new model explaining many occurences of liquefaction we cannot understand yet is presented in this paper. A new analytical model of granular medium, with a sphere representing a building, has been developed. A horizontal oscillation is applied on the medium. The penetration rate of the sphere then caracterizes the liquefaction state of the modeled soil. We suppose that liquefaction happens when the shaking makes the grains slide against one another. The interval of acceleration allowing this sliding depends on the water height in the medium, on the friction coefficient and on the material density. Experiments and numerical simulations have been carried out. They confirmed our previous predictions, they caracterize the micromecanics of liquefied media, they explain the penetration speed of the sphere and they suggest perspectives to study quicksands.

The theoretical part summarizes the chemical recycling processes of polyurethane and polyisocyanurate insulation foams and methods of polyols preparation from their alcoholysates. Emphasis is placed on the use of microwave heating during depolymerization, as a perspective energy source for chemolysis processes. The practical part is focused on optimization of recyclates preparation derived from polyisocyanurate foams and polyethylene terephthalate by microwave enhanced glycerolysis. Recyclates obtained were verified for their workability and applicability in blends with virgin polyols in polyisocyanurate foam manufacture process.

An easy-to-use spreadsheet version of a finite difference method for progressive landslide analysis has been developed. The finite difference method was originally developed by Dr. Stig Bernander, earlier adjunct professor at Luleå University of Technology and head of the Design Department of Skanska AB in Gothenburg, Sweden.. The so called Muskrat Falls Project consists in the ongoing construction of a hydroelectric power plant in Churchill River Valley, Labrador, Canada. The site hosting the project includes a land ridge which is supposed to be used as a natural dam and thus be submitted to important water pressures. Yet, previous landslides in the area have shown that a stability analysis is worth to be carried out in order to ensure the safety of the facility. Until now, investigations have only been carried out using the traditional limit equilibrium method and related elastic-plastic theory. For the sake of simplicity, this approach does not take into account deformations outside and inside the sliding body. However, because of the soil features in Churchill River Valley and particularly its ‘deformation softening’ behavior, there is increasing evidence that the conventional analysis is not relevant in this situation. Further, when analyzing the total stability of the ridge, only a horizontal failure surface has been used and not an inclined one, which is very optimistic and rather unrealistic.. In order to provide a more reliable study, a progressive failure analysis has been performed according to the finite difference method of Dr. Stig Bernander. The development of a spreadsheet adapted to this particular problem has allowed getting quickly and easily numerical results for several cases of study and assumptions. For assumed material properties and geometries of failure, the critical load-carrying capacity is below 1000 kN/m whereas a rise of the water level with 21 m will give an increased load of Nq  = 2420 kN/m. This is more than twice of the what the ridge may stand with the assumed properties. The investigation has led to the conclusion that the situation will be risky for many combinations of soil properties if the water level is raised as high as initially planned. The investigation also shows that more material tests are necessary and that stabilization work may be needed to eliminate the risk for a landslide.

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 / 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

L'objectif de ce travail était d'étudier en profondeur la synthèse catalytique de lévulinates de butyle à partir de biomasse, d'abord en utilisant les isomères de butanol, puis les isomères de butène comme agents d'estérification. Généralement obtenus par estérification de l'acide lévulinique, les esters lévuliniques et notamment les lévulinates de butyle présentent des propriétés physiques et chimiques faisant d'eux de potentiels additifs de carburant, molécules plateformes, solvants ou encore additifs pour l'industrie alimentaire ou pharmaceutique. En convertissant sélectivement la cellulose en lévulinates de butyle, aucune étape de synthèse et de purification d'intermédiaires réactionnels n'a été nécessaire. Dans les isomères de butanol, la conversion de la cellulose en lévulinates avec H2SO4 a permis d'obtenir à 200°C respectivement 50 et 14% d'esters dans les alcools primaires et secondaire. L'utilisation de zircone sulfatée et de phosphotungstate de césium a abouti à la formation de 15% d'esters dans les alcools primaires, et de 3% dans l'alcool secondaire. L'utilisation d'oléfines comme substituant aux alcools fut étudiée en présence d'acide sulfurique. Avec le n-butène, l'estérification de l'acide lévulinique a donné 55% de lévulinate de sec-butyle à 100°C et en absence de solvant. A partir de cellulose, un rendement de 19% a été obtenu à 100°C dans l'iso-octane. Avec l'iso-butène, 50% de lévulinate de tert-butyle ont été obtenus à partir de l'acide lévulinique, sans solvant et à 25°C. En présence d'Amberlyst-15, 80% de rendement ont pu être obtenus, avec une réutilisation jusqu'à 6 fois du catalyseur sans désactivation notable / The objective of this work was to study in details the catalytic synthesis of butyl levulinates from biomass, first by using butanol isomers, then butene isomers as esterifying agents. Usually obtained by esterification of levulinic acid, levulinic esters including butyl levulinates possess physical and chemical properties making them potential fuel additives, platform molecules, solvents or additives for the food or pharmaceutical industry. By selectively converting cellulose into butyl levulinates, no step of synthesis and purification of reaction intermediates was necessary. In butanol isomers, the conversion of cellulose to levulinates with H2SO4 gave at 200°C, respectively 50 and 14 % of esters in the primary and secondary alcohols. The use of sulfated zirconia and cesium phosphotungstate led to 15% of esters from primary alcohols, and 3% from secondary alcohol. The use of olefins as alcohol substituents was studied in the presence of sulfuric acid. With n-butene, the esterification of levulinic acid gave 55% of sec-butyl levulinate at 100°C and in the absence of solvent. From cellulose, 19% yield was obtained at 100°C in iso-octane. With iso-butene, 50% of tert-butyl levulinate was obtained from levulinic acid, without solvent and at 25°C. In the presence of Amberlyst-15, 80% yield was obtained, with a reuse up to 6 times of the catalyst without significant deactivation

Das Bodenverhalten unter dynamischer Beanspruchung ist sehr komplex, wird jedoch in der Praxis häufig mit Hilfe von vereinfachten Modellen abgebildet. Die Gültigkeit solcher Modelle ist jedoch aufgrund des spannungs- und dehnungsabhängigen Bodenverhaltens sehr begrenzt. Alternativ dazu bieten sich dynamische numerische Berechnungen mit fortgeschrittenen Stofmodellen, die das Bodenverhalten in einem großen Dehnungs- und Spannungsbereich realitätsnah repräsentieren können. In dieser Arbeit wurde untersucht, inwieweit sich das komplexe Bodenverhalten unter dynamischen Einwirkungen mit Hilfe der Hypoplastizität abbilden lässt. Dabei wurde die entscheidende Rolle der Parameterermittlung veranschaulicht und zusätzlich ein angemessener Vorgang zur Bodenparameterbestimmung beschrieben. Zunächst wurde das Verhalten einer trockenen Sandschicht infolge von Erdbebenbeanspruchungen numerisch untersucht. Die Ergebnisse der Berechnungen zeigen, dass die Beschleunigungsamplifikation in der Nähe zur Bodenoberfläche von der Frequenz und der Amplitude der Grundbeschleunigung abhängt. Weiterhin nimmt die berechnete Eigenfrequenz und die entsprechende Amplifikation mit zunehmender Beschleunigungsamplitude ab. Des Weiteren wurde ein Zentrifugenversuch an einem im Sand eingebeteten Tunnel unter Erdbebeneinwirkungen nachgerechnet. Die berechneten Ergebnisse zeigen eine ausreichende Übereinstimmung mit dem Experiment. Mit der numerischen Nachrechnung wurde auch eine Abhängigkeit zwischen den Änderungen der Biegemomente in der Tunnelschale und der Oberflächensetzung im umliegenden Boden festgestellt. Die Standsicherheit von Böschungen unter Erdbebenbeanspruchungen stellt wegen des komplexen Bodenverhaltens eine weitere Herausforderung für die Berechnungen dar. Zunächst wurde überprüft, inwieweit sich das Böschungsverhalten mit der in der Praxis häufig eingesetzten pseudo-statischen Methode abbilden lässt. Hierfür wurde für eine in der Zentrifuge untersuchte Modellböschung die pseudostatische Analyse durchgeführt. Die im Zentrifugenversuch aufgetretenen oberflächennahen Gleitfläche lässt sich durch die pseudo-statische Methode nicht prognostizieren. Für eine oberflächennahe Gleitfläche wurde hingegen ein sehr hoher Standsicherheitsfaktor ermittelt. Mit einer numerischen Nachrechnung mit einem hypoplastischen Stoffmodell mit Betrachtung der intergranularen Dehnungen konnte das Verhalten der Modellböschung qualitativ und quantitativ sehr gut abgebildet werden. Somit wurden sowohl die oberflächennahe Gleitfläche als auch die Vertikal- und Horizontalverschiebungen realitätsnah wiedergegeben. In dieser Arbeit wurde des Weiteren ein Vorgang als Kombination zwischen den dynamischen numerischen Berechnungen und der pseudo-statischen Methode zur Bewertung der Standsicherheit von Böschungen unter dynamischer Einwirkung vorgeschlagen. Damit ließ sich ebenso ein realitätsnäher Stansicherheitsfaktor ermitteln. Da die Anwendung der pseudo-statischen Methode bei den Böschungen aus wassergesättigten kohäsionslosen Böden problematisch ist, lassen sich solche Böschungen entweder mit Zentrifugenmodellen oder numerisch mit fortgeschrittenen Stoffmodellen untersuchen. In dieser Arbeit wurden Nachrechnungen von Zentrifugenversuchen durchgeführt. Es handelt sich um einen Erddamm aus einem wassergesättigten, dicht gelagerten Nevada Sand unter Erdbebeneinwirkung. Mit der numerischen Berechnung wurde das Dammverhalten qualitativ und quantitativ sehr gut abgebildet. Sowohl die Dammverschiebungen als auch der Aufbau des Porenwasserdrucks zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den Messungen. Weiterhin wurden mit den gleichen Bodenparametern zwei weitere Zentrifugenversuche unter Erdbebeneinwirkung nachgerechnet. Beide Modellversuche wurden mit einem locker gelagerten, wassergesättigten Nevada Sand durchgeführt. Bei einem Versuch wurde ein Erddamm und bei dem anderen eine Sandschicht untersucht. In den numerischen Nachrechnungen ließen sich sowohl die Verschiebungen als auch die Porenwasserdrücke in beiden Randwertproblemen realistisch abbilden. Weiterhin wurde die Wirkung von Schottersäulen zur Verhinderung der Bodenverflüssigung numerisch untersucht. Zunächst wurden die Dränage- und die Aussteifungswirkung der Schottersäulen unabhängig voneinander betrachtet. Die Dränagewirkung ist vernachlässigbar, da sich während eines Erdbebens der Porenwasserdruck sehr schnell aufbaut. Wegen der hohen Steifigkeit der Schottersäulen wird zwar weniger Porenwasserdruck in den Boden aufgebaut. Die effektive Spannung nimmt jedoch trotzdem unverhindert ab. Dies lässt sich damit begründen, dass die hohe Säulensteifigkeit zu einer Spannungsumlagerung in Richtung Säulen führt und ein Siloeffekt entsteht. Somit wird der Boden zum Teil von den Säulen getragen und die totale Spannung im Boden nimmt ab. In der 3D-Berechnungen ist dieser Siloeffekt deutlich geringer als in den 2D-Berechnungen. Nichtsdestotrotz zeigen sowohl die 2D- als auch die 3D-Berechnungen, dass die Säulensteifigkeit eine nur mäßige Wirkung zur Verhinderung der Bodenverflüssigung aufweist. In weiteren 3D-Berechnungen wurde der Einfluss der Säulenherstellung untersucht. Hierfür wurden Berechnungen mit erhöhter Bodendichte und Seitenspannung durchgeführt. Sowohl die Verdichtung als auch die Erhöhung der Seitenspannung verlangsamen den Porenwasserdruckaufbau bzw. die Abnahme der effektiven Spannung. Der Einfluss der Bodenverdichtung ist jedoch wesentlich höher. Weiterhin weist die Wirkung der Schottersäulen eine Abhängigkeit von der dynamischen Belastung auf. Die Bodenverflüssigung infolge eines kleinen Erdbebens wird verhindert, während sich die Verflüssigung infolge eines stärkeren Erdbebens nur um wenige Sekunden verzögert. / The soil behavior under dynamic loading is very complex. However, in daily use it is often illustrated by means of simplified models. The validity of these models is very limited due to the stress and strain-dependent soil behavior. Alternatively, dynamic numerical calculations can be performed with advanced constitutive models which can represent soil behavior in a wide range of strain and stress. In this work it was investigated, to which extent the complex soil behavior can be reproduced using hypoplasticity.Furthermore,the important role of parameter determination was illustrated. In addition, an appropriate procedure for determining soil parameters was described. First, the behavior of a dry sand layer under earthquake load was investigated numerically. The results of the calculations show that the acceleration amplification near the ground surface depends on the frequency and the amplitude of the basic acceleration. Furthermore, the calculated natural frequency and the corresponding amplification decrease with increasing acceleration amplitude. In addition, a centrifuge test on a tunnel embedded in sand under earthquake effects was numerically calculated. The calculated results show a satisfactory agreement with the experiment. The numerical calculation also revealed a dependency between the changes in the bending moments in the tunnel lining and the surface settlement of the surrounding soil. Due to the complex soil behavior, the stability of slopes under earthquake loads poses a further challenge for the calculations. Firstly, it was examined, to which extent slope behavior can be represented with the frequently used pseudo-static method. For this purpose the pseudo-static analysis was carried out for a model earth dam examined in the centrifuge. The pseudo-static method predicts a deep seated sliding surface in contrast to the shallow sliding surface in the centrifuge test. However, for a shallow sliding surface, a very high stability safety factor was determined. With a numerical calculation using a hypoplastic material model considering the intergranular strains, the behavior of the earth dam could be reproduced qualitatively and quantitatively very well. Thus, the shallow sliding surface as well as the vertical and horizontal displacements were reproduced realistically. In this thesis, a combination of the dynamic numerical calculation and the pseudo-static method for assessing the stability of slopes under dynamic influence was proposed. So, a realistic stability safety factor can be determined. The application of the pseudo-static method is problematic in case of slopes in saturated non-cohesive soil. These slopes can either be investigated with centrifuge models or numerically with advanced material models. In this work, numerical recalculations of centrifuge tests were carried out. It is an earth dam from a saturated Nevada sand under an earthquake effect. With the numerical calculation the dam behavior was reproduced qualitatively and quantitatively in a satisfactory manner. Both the dam displacements as well as the build-up of pore water pressure show a very good agreement with the measurements. Two further centrifuge tests were also carried out using the same soil parameters. Both model tests were conducted with a loose saturated Nevada sand. One test was carried out on an earth dam and the other on a sand layer. With the numerical calculations, both displacements and pore water pressures were reproduced realistically in both boundary value problems. In addition the effect of stone columns to prevent soil liquefaction was studied numerically. First, the drainage and stiffening effects of stone columns were examined separately. The drainage effect has no significant influence because of the very rapid build-up of pore water pressure during the earthquake. Due to the high stiffness of the stone columns, less pore water pressure builds up in the soil. However, the effective stress continues to decrease unhindered. The high stiffness of the columns leads to a stress redistribution in the direction of the columns and a silo effect arises. In 3D calculations, the silo effect is significantly lower than in 2D calculations. The 2D and 3D calculations show that the column stiffness has a moderate effect to prevent soil liquefaction. In further 3D calculations, the influence of column installation was investigated. Calculations with increased soil density and lateral stress were carried out for this purpose. Both the compaction and the increase of the lateral stress slow down the build-up of pore water pressure and the decrease in effective stress. However, the impact of soil compaction is much higher. Furthermore, the effect of stone columns depends on the dynamic load. The soil liquefaction due to a small earthquake is prevented, while liquefaction due to a stronger earthquake is delayed only by a few seconds.

La liquéfaction des sols saturés lors des séismes est l’un des problèmes les plus importants auxquels sont confrontés les ingénieurs. Il n’y a guère eu de séisme majeur sans au moins quelques cas de liquéfaction. Des tassements, des basculements de bâtiments, des écoulements latéraux, des cônes de liquéfaction et des instabilités de pentes, sont certaines de ses manifestations. La conception sismique des centrales nucléaires et autres installations critiques comprend systématiquement une évaluation du risque de liquéfaction.Dans ce cadre, des méthodes de nature entièrement empirique sont couramment utilisées en ingénierie. Ces approches procurent des marges à la conception et des limitations d’utilisation. Pour exploiter ces marges en situation de réévaluation, on a recours à des calculs transitoires non linéaires avancés dans lesquels on doit modéliser finement la loi de comportement du sol pour mettre en évidence les montées de pression interstitielle.Ces derniers calculs sont coûteux en termes de temps et de compétences numériques. L’objectif de ce travail de recherche est notamment de réduire les conservatismes en vigueur lors de l’utilisation de la méthode simplifiée sans pour autant mettre en œuvre d’emblée les méthodes les plus sophistiqués. On propose pour cela une méthode de complexité intermédiaire qui élargit l’applicabilité des modèles semi-empiriques pour une analyse plus fine du risque sismique.Dans un premier temps, en partant d’un calcul linéaire équivalent conventionnel, une nouvelle approche pour la prise en compte de la montée de pression interstitielle est proposée sous le nom « X-ELM ». Le modèle de comportement employé est basé sur la relation entre la pression interstitielle et les déformations volumiques plastiques. La nouvelle approche «X-ELM » est utilisée pour modéliser la réponse des sols pour le séisme de Tōhoku (Mw=9.0) à la ville d’Urayasu au Japon. Le modèle a été appliqué sur douze profils de sols différents. L’étude de ces cas rend possible la validation du modèle par comparaison des résultats des calculs aux observations in situ. Le modèle peut donc être considéré comme un outil fiable pour la prédiction de déclenchement de liquéfaction des sols saturés.Ensuite, un outil de prédiction rapide a été conçu en se basant sur des approximations de processus aléatoire, sur les propriétés mécaniques de base du sol et sur les caractéristiques du chargement sismique. Outre son ampleur, une caractéristique importante du signal sismique d’entrée est sa durée qui peut conduire à de fortes non linéarités et à un état de liquéfaction étendu. En considérant donc la durée de phase forte, le spectre de réponse, la fréquence propre du modèle et les caractéristiques de densification du sol, l’outil de prédiction proposé procure des estimations rapides du taux de montée de pression interstitielle et du tassement pré-liquéfaction sans devoir exécuter des calculs transitoires.Enfin, un modèle 2D de barrage est étudié, en examinant l’influence de la montée de pression interstitielle et celle des déformations de cisaillement sur la réponse sismique de l’ouvrage. Un calcul linéaire équivalent adapté aux situations bidimensionnelles est élaboré et le prédicteur est employé pour évaluer la montée de pression interstitielle. On compare les résultats de la simulation aux observations in situ, piézométriques et accélérométriques.En conclusion, ce travail de recherche fournit des méthodes et outils de calculs numériques performants et accessibles aux ingénieurs pour l’évaluation sismique des profils de sols et des ouvrages en terre tels que digues ou barrages / The liquefaction of saturated soils during earthquakes is one of the most important problems facing engineers. There has hardly been a major earthquake without at least some cases of liquefaction. Settlements, tilting of buildings, lateral flows, sand boilings and slope instabilities have been some of its manifestations. The seismic design of nuclear power plants and other critical facilities systematically includes a liquefaction risk assessment.In this context, fully empirical methods are commonly used in engineering. These approaches provide design margins and limitations of use. To exploit these margins in a re-evaluation situation, we use advanced nonlinear transient calculations in which the soil behavior must be finely modeled to highlight the pore-water pressure build-up. These last calculations are expensive in terms of time and numerical skills. The objective of this research work is to reduce the conservatisms in force when using the simplified method without necessarily implementing the most sophisticated methods from the outset. To this end, we propose a method of intermediate complexity that broadens the applicability of semi-empirical models for a more detailed analysis of seismic risk.First, starting from a conventional equivalent linear calculation, a new approach for taking into account excess pore pressure is proposed under the name "X-ELM". The behavioral model employed is based on the relationship between pore pressure and plastic volumetric deformations. The new "X-ELM" approach is used to model soil response in the city of Urayasu,Japan during the Tohoku earthquake (Mw = 9.0). The model has been applied to twelve different soil profiles. The study of these cases makes possible the validation of themodel by comparing the results of the calculations with the observations in situ. The model can therefore be considered as a reliable tool for the prediction of liquefaction triggering of saturated soils.Then, a prediction tool was designed based on random process approximations, the basic mechanical properties of the soil and the characteristics of the seismic loading. In addition to its magnitude, an important feature of the input seismic signal is its duration which can lead to strong nonlinearities and an extended liquefaction state. Considering the strong phase duration, the response spectrum, the natural frequency of the model and the characteristics of soil compaction, this tool provides fast estimations of the rate of pore pressure build-up and pre-liquefaction settlement without having to perform transient calculations.Finally, a 2D dam model is studied, by examining the influence of excess pore pressure and that of the shear strains on the seismic response of the structure. An equivalent linear computation adapted to two-dimensional situations is elaborated and the predictor is used to evaluate pore pressure increase. Simulation results are compared with in situ, piezometric and accelerometric observations.In conclusion, this research work provides methods and tools of numerical computation that are efficient and accessible to engineers for the seismic evaluation of soil profiles and earth structures such as dikes or dams

Scour is a process of removing soils around foundations by currents and waves. For the pile-supported marine structures such as the monopile-supported offshore wind turbines (OWTs) and the pile-supported bridges, scour can decrease the pile capacities and alter the dynamic responses of the structures. At present, there is not a widely accepted method to estimate pile axial or lateral capacity under scoured conditions. For example, different recommendations are used among the existing design standards for estimation of the vertical effective stress and the resulting capacities for single piles under different scour conditions. None of the existing standards or design practice has even considered the scour effects on the behavior of pile groups. Furthermore, the investigation into the responses of piles under multiple hazards of scour and earthquakes is rarely reported. To address the foregoing limitations, this study first introduces an analytical solution to determining the vertical effective stress of soils around single isolated piles under scoured conditions and uses it to examine the limitations of the existing standards in estimation of pile tensile capacity (Chapter 1). The effect of soil-pile interface friction is highlighted. Next, the study proposes new approaches to investigating the combined effects of scour and earthquakes on the lateral responses of the monopile-supported OWTs in sand (Chapter 2) and soft clay (Chapter 3). Lastly, simple and practical methods are developed based on the p-y curve framework for analyzing the lateral responses of pile groups in sand (Chapter 4) and soft clay (Chapter 5) subjected to static lateral loading. The proposed methods in this study were encoded into a series of open-source computer scripts for engineering practice. They were verified with the 3D continuum finite element (FE) analyses. Using the proposed methods, standard methods, and 3D FE method, parametric analyses were conducted to investigate the scour effects on the lateral behavior of the monopile-supported OWTs under crustal earthquakes and that of the pile groups under static loading. The factors considered in the parametric study included effects of scour-hole dimensions, soil stress history, soil density, soil-pile interface behavior, soil liquefaction potential, pile group configurations, etc. Through the parametric analyses, the standard methods were critically assessed by comparing the results to those calculated by the proposed methods and 3D FE methods, and some design-related issues were also discussed. / Graduate

Im Lausitzer Braunkohlerevier wurden eine Vielzahl von Braunkohletagebauen stillgelegt und rekultiviert. In den locker gelagerten und überwiegend aus sandigem Boden bestehenden Kippen kam es im Zuge des Grundwasseranstieges seit ca. 2006 zu einer erheblichen Anzahl von Bodenverflüssigungsereignissen. Diese stellen eine Gefährdung für Personen dar und führten daher zu Sperrungen der Kippenflächen. Das Ziel der Arbeit war es, das Risiko für Personenschäden durch Bodenverflüssigungsereignisse auf Innenkippen des Lausitzer Braunkohlereviers zu ermitteln. Die Ergebnisse bilden eine Möglichkeit, Maßnahmen zur Verbesserung der Sicherheit auf der Kippe angepasst zu planen und damit eine bessere gesellschaftliche Akzeptanz zu erreichen. An Beispielen wird in der Arbeit dargestellt, wie der Grad der Gefährdung von Personen durch unterschiedliche Prozesse ermittelt und dargestellt werden kann. Die einfachen physikalischen bzw. empirischen Zusammenhänge bilden die Grundlage zur Ermittlung des Risikos, das Eintrittswahrscheinlichkeit und Schadensausmaß eines Bodenverflüssigungsereignisses berücksichtigt. Der Prozess der spontanen Bodenverflüssigung auf Kippen wird beschrieben. Es wird herausgearbeitet, dass die Auswirkungen eines Bodenverflüssigungsereignisses wesentlich von der Gestalt der Geländeoberfläche und der Lage des Grundwasserspiegels relativ zur Geländeoberfläche abhängen. Für die Geländemorphologie wird die Maßgeblichkeitszahl als Kenngröße genutzt, um zusammen mit dem Grundwasserflurabstand eine empirische Abhängigkeit der Auswirkungen eines Bodenverflüssigungsereignisses zu begründen. Mit diesen Ergebnissen wird auf Basis eines digitalen Geländemodells und eines Grundwassermodells eine Gefährdungskarte abgeleitet. Durch die räumliche Auswertung der Gefährdungskarte und einer angenommenen Zahl von Personen, die auf der geplanten Nutzung der Kippen beruht, wird das kollektive Risiko für Personenschäden berechnet. In die Berechnung geht auch die Eintrittswahrscheinlichkeit von Bodenverflüssigungsereignissen ein, die tagebaubezogen auf Grundlage von Auswertungen von digitalen Geländemodellen im Zeitraum von 2006 bis 2018 ermittelt wurde. Das ermittelte Risiko durch Bodenverflüssigung wird mit Risiken des Alltags verglichen. Darauf aufbauend wird ein Grenzrisiko vorgeschlagen. Die Ergebnisse werden interpretiert und es wird eine Empfehlung abgegeben, wie mit dem ermittelten Risiko umgegangen werden kann. / In the Lusatian lignite mining area, a large number of opencast lignite mines were closed down and recultivated. In the loosely stored tips, which mainly consist of sandy soil, a considerable number of soil liquefaction events have occurred in the course of the groundwater rise since approx. 2006. These represent a hazard to persons and therefore led to the closure of the tipping areas. The aim of the work was to determine the risk of personal injury caused by soil liquefaction events on inner tips of the Lusatian brown coal mining area. The results provide an opportunity to plan actions to improve safety on the dump and thus achieve better social acceptance. The paper uses examples to illustrate how the degree of risk to people posed by different processes can be determined and represented. The simple physical and empirical correlations form the basis for determining the risk which takes into account the probability of occurrence and the extent of damage of a soil liquefaction event. The process of spontaneous soil liquefaction on tips is described. It is worked out that the effects of a soil liquefaction event depend essentially on the shape of the terrain surface and the position of the groundwater level relative to the terrain surface. For the terrain morphology, the significance number is used as a parameter in order to establish an empirical dependence of the effects of a soil liquefaction event together with the groundwater level. With these results, a hazard map is derived on the basis of a digital terrain model and a groundwater model. By spatial evaluation of the hazard map and an assumed number of persons based on the planned use of the tips, the collective risk of personal injury is calculated. The calculation also includes the probability of soil liquefaction events occurring, which was determined on the basis of evaluations of digital terrain models in the period from 2006 to 2018. The calculated risk from soil liquefaction is compared with everyday risks. Based on this, a limiting risk is proposed. The results are interpreted and a recommendation is given on how to deal with the identified risk.