La configuration géologique des couches de sol proches de la surface peut modifier fortement le mouvement sismique en surface (effets de site lithologiques). Ces effets de sites peuvent être évalués numériquement ou empiriquement. Ce travail s'inscrit dans la thématique de l'évaluation des effets de site lithologiques et de la variabilité de la réponse sismique des sites. Il se base principalement sur l'analyse d'enregistrements de séismes. Nous avons étudié dans un premier temps la variabilité de la réponse sismique, par classe de sites et pour des mouvements sismique faibles (variabilité inter-sites), puis une partie de la variabilité inter-évènements en un site, due aux effets du comportement non-linéaire des sols. Enfin, nous avons inversé les courbes de réponse du site afin de préciser à quelles profondeurs le comportement du sol est non-linéaire. La base de données accélérométriques KiK-net (Japon) est constituée de 688 forages instrumentés avec un capteur en surface et un autre en fond de puits. Cette configuration en réseau vertical permet de calculer en chacun des sites la courbe de réponse empirique du forage. Ce réseau a été choisi compte tenu du nombre important de sites instrumentés, du nombre de séismes enregistrés (plus de 46 000 enregistrements ont été recueillis et analysés) et de l'existence de caractérisation géotechnique des sites (profils de vitesse de propagation des ondes de cisaillement et de compression).L'analyse de la variabilité de la réponse sismique par classe de site nous a permis de préciser les paramètres qui seraient à mesurer afin d'améliorer l'évaluation des effets de site. En régime linéaire, il s'agit du gradient du profil de vitesse calculé jusqu'à 30 m (B30) ou 100 m (B100) et de la fréquence de résonance fondamentale (f0). Ces paramètres pourraient être utilisés afin de réduire la variabilité inter-sites du mouvement sismique en surface (i.e. variabilité dans les GMPEs Equations prédictives du mouvement sismique).L'analyse de la variabilité inter-évènement associée au comportement non-linéaire des sols nous a fourni les paramètres pertinents pour l'analyse des sites en régime non-linéaire : B30, l'amplification maximale (Apred) et la fréquence associée (fpred). Cette analyse a également montré : - que le PGA (Peak Ground Acceleration, accélération maximale du sol) est un paramètre pertinent pour l'étude des effets du comportement non-linéaire des sols sur la réponse des sites. - que, quelque soit le site, le comportement non-linéaire des sols affecte la courbe de réponse du site à partir d'accélérations modérées (75 cm/s2 en fond de puits). - que la caractérisation non-linéaire d'un site, en vue de l'évaluation des effets de sites, pourrait être réduite à la caractérisation des couches de sol superficielles. Cette dernière assertion peut avoir une influence importante pour la caractérisation non-linéaire des sites. Elle a été confirmée par l'inversion comparée des fonctions de transfert forages linéaires et non-linéaires. Finalement, notre travail a également montré :• que l'analyse de sensibilité de la colonne de sol « à priori » est un bon outil pour déterminer la résolution de l'inversion compte tenu des informations disponibles ainsi que les paramètres du sol contrôlant les pics d'amplification.• que l'utilisation conjointe de l'analyse de sensibilité et de la comparaison des fonctions de transfert, sans étape d'inversion, pouvait être suffisante pour évaluer les profondeurs où le sol peut avoir un comportement non-linéaire important / Local geology can strongly affect seismic ground motion at the surface. These so-called site-effects can be evaluated either numerically by simulating the seismic wave propagation or empirically using earthquake recordings analyses or statistical correlations between site parameters and site effects. This thesis concerns the improvement of site effect evaluation and the consideration of the seismic site response variability. This work is mainly based on the analysis of earthquake recordings. First, we analyzed the site response variability between sites for similar ground motion incident intensity (weak motion) and then, we analysed the site response variability between events in one site caused by non-linear soil behaviour. Finally, we used inversion method to find the depths where soil non-linear behaviour mostly occurs.We analyzed various earthquake recordings from the KiK-net database in Japan (more than 46 000), which is composed of more than 688 surface/borehole instruments. The vertical array configuration allows the computation of the empirical site response in borehole condition. This database was chosen because of its large amount of instrumented sites located at sediments, its large amount of accelerometric data and the existence of characterisation of the shear and compressive wave velocity profiles down to the borehole depth. The analysis of the seismic response variability per site classes indicated which parameters must be measured to improve the site-effect assessment. In the linear range, the parameters are the Vs profile gradient calculated until 30 m (B30) or 100 m depth (B100) and the fundamental resonance frequency of the site (f0). These additional parameters to Vs30 can be used to reduce the between-sites surface motion variability (such as in GMPEs, Ground Motion Prediction Equations).Besides, the analysis of inter-event site response variability caused by non-linear soil behaviour showed the relevant parameters for analysis of site effects in non-linear range: B30, The maximal amplification (Apred) and the associated frequency (fpred). This analysis showed as well: - that the PGA (Peak Ground Acceleration) is a relevant parameter for non-linear site effect assessment. - that, whatever the site, non-linear soil behaviour affects the site response curves from moderate acceleration (75 cm/s2 at the down-hole station). - that only information on the non-linear soil behaviour of the superficial layers is enough to fully assess the non-linear site responses. This last conclusion may have a large impact for non-linear soil characterisation. It has been confirmed by inversion of linear and non-linear borehole site responses and comparison of the obtained Vs profiles. At the same time, the present work showed : - that the depth from which non-linear soil behaviour has no influence on site response depends on the site and on the intensity of the seismic input motion. - that careful attention needs to be taken when inverting data from vertical arrays. Sensitivity analyses are a powerful tool to evaluate the resolution of the inversion considering the available information and the soil parameters that are well solved during the inversion. - That the combined used of sensitivity analysis with comparison of transfer function, without inversion, could be enough to assess the depth where the non-linear soil behaviour mostly take place

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第24603号 / 工博第5109号 / 新制||工||1977(附属図書館) / 京都大学大学院工学研究科建築学専攻 / (主査)教授 松島 信一, 教授 竹脇 出, 教授 池田 芳樹 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

La liquéfaction des sols qui est déclenchée par des mouvements sismiques forts peut modifier la réponse d’un site. Ceci occasionne des dégâts importants dans les structures comme a été mis en évidence lors des tremblements de terre récents tels que celui de Christchurch, Nouvelle-Zélande et du Tohoku, Japon. L’évaluation du risque sismique des structures nécessite une modélisation robuste du comportement non linéaire de sols et de la prise en compte de l’interaction sol-structure (ISS). En général, le risque sismique est décrit comme la convolution entre l’aléa et la vulnérabilité du système. Cette thèse se pose comme une contribution à l’étude, via une modélisation numérique, de l’apparition de la liquéfaction et à l’utilisation des méthodes pour réduire les dommages induits.A cet effet, la méthode des éléments finis(FEM) dans le domaine temporel est utilisée comme outil numérique. Le modèle principal est composé d’un bâtiment fondé sur un sable liquéfiable. Comme la première étape de l’analyse du risque sismique, la première partie de cette thèse est consacrée à la caractérisation du comportement du sol et à sa modélisation.Une attention particulière est donnée à la sensibilité du modèle à des paramètres numériques. En suite, le modèle est validé pour le cas d’une propagation des ondes 1D avec les mesures issus du benchmark international PRENOLIN sur un site japonais. D’après la comparaison, le modèle arrive à prédire les enregistrements dans un test en aveugle.La deuxième partie, concerne la prise en compte dans la modélisation numérique du couplage de la surpression interstitielle (Δpw)et de la déformation du sol. Les effets favorables ou défavorables de ce type de modélisation ont été évalués sur le mouvement en surface du sol lors de la propagation des ondes et aussi sur le tassement et la performance sismique de deux structures.Cette partie contient des éléments d’un article publié dans Acta Geotechnica (Montoya-Noguera and Lopez-Caballero, 2016). Il a été trouvé que l’applicabilité du modèle dépend à la fois du niveau de liquéfaction et des effets d’ISS.Dans la dernière partie, une méthode est proposée pour modéliser la variabilité spatiale ajoutée au dépôt de sol dû à l’utilisation des techniques pour diminuer le degré de liquéfaction. Cette variabilité ajoutée peut différer considérablement de la variabilité inhérente ou naturelle. Dans cette thèse, elle sera modélisée par un champ aléatoire binaire.Pour évaluer l’efficience du mélange, la performance du système a été étudiée pour différents niveaux d’efficacité, c’est-à-dire,différentes fractions spatiales en allant de non traitées jusqu’à entièrement traitées. Tout d’abord le modèle binaire a été testé sur un cas simple, tel que la capacité portante d’une fondation superficielle sur un sol cohérent.Après, il a été utilisé dans le modèle de la structure sur le sol liquéfiable. Ce dernier cas,en partie, a été publié dans la revue GeoRisk (Montoya-Noguera and Lopez-Caballero,2015). En raison de l’interaction entre les deux types de sols du mélange, une importante variabilité est mise en évidence dans la réponse de la structure. En outre, des théories classiques et avancées d’homogénéisation ont été utilisées pour prédire la relation entre l’efficience moyenne et l’efficacité. En raison du comportement non linéaire du sol, les théories traditionnelles ne parviennent pas à prédire la réponse alors que certaines théories avancées qui comprennent la théorie de la percolation peuvent fournir une bonne estimation. En ce qui concerne l’effet de la variabilité spatiale ajoutée sur la diminution du tassement de la structure, différents séismes ont été testés et la réponse globale semble dépendre de leur rapport de PHV et PHA. / Strong ground motions can trigger soil liquefaction that will alter the propagating signal and induce ground failure. Important damage in structures and lifelines has been evidenced after recent earthquakes such as Christchurch, New Zealand and Tohoku, Japanin 2011. Accurate prediction of the structures’ seismic risk requires a careful modeling of the nonlinear behavior of soil-structure interaction (SSI) systems. In general, seismic risk analysisis described as the convolution between the natural hazard and the vulnerability of the system. This thesis arises as a contribution to the numerical modeling of liquefaction evaluation and mitigation.For this purpose, the finite element method (FEM) in time domain is used as numerical tool. The main numerical model consists of are inforced concrete building with a shallow rigid foundation standing on saturated cohesionless soil. As the initial step on the seismic risk analysis, the first part of the thesis is consecrated to the characterization of the soil behavior and its constitutive modeling. Later on, some results of the model’s validation witha real site for the 1D wave propagation in dry conditions are presented. These are issued from the participation in the international benchmark PRENOLIN and concern the PARI site Sendaiin Japan. Even though very few laboratory and in-situ data were available, the model responses well with the recordings for the blind prediction. The second part, concerns the numerical modeling of coupling excess pore pressure (Δpw) and soil deformation. The effects were evaluated on the ground motion and on the structure’s settlement and performance. This part contains material from an article published in Acta Geotechnica (Montoya-Noguera andLopez-Caballero, 2015). The applicability of the models was found to depend on both the liquefaction level and the SSI effects.In the last part, an innovative method is proposed to model spatial variability added to the deposit due to soil improvement techniques used to strengthen soft soils and mitigate liquefaction. Innovative treatment processes such as bentonite permeations and biogrouting,among others have recently emerged.However, there remains some uncertainties concerning the degree of spatial variability introduced in the design and its effect of the system’s performance.This added variability can differ significantly from the inherent or natural variability thus, in this thesis, it is modeled by coupling FEM with a binary random field. The efficiency in improving the soil behavior related to the effectiveness of the method measured by the amount of soil changed was analyzed. Two cases were studied: the bearing capacity of a shallow foundation under cohesive soil and the liquefaction-induced settlement of a structure under cohesionless loose soil. The latter, in part, contains material published in GeoRisk journal (Montoya-Noguera and Lopez-Caballero, 2015). Due to the interaction between the two soils, an important variability is evidenced in the response. Additionally, traditional and advanced homogenization theories were used to predict the relation between the average efficiency and effectiveness. Because of the nonlinear soil behavior, the traditional theories fail to predict the response while some advanced theories which include the percolation theory may provide a good estimate. Concerning the effect of added spatial variability on soil liquefaction, different input motions were tested and the response of the whole was found to depend on the ratio of PHV and PHA of the input motion.

The results from an experimental study on the dynamic properties of sand with nonplastic silt are presented. Combined resonant column and torsional shear equipment is used to evaluate the effects of confining pressure, shearing strain, frequency, and number of cycles of loading on the dynamic properties of silty sand. The goal of this study is to determine if relationships in the literature for sands and gravels are accurate for predicting the shear modulus and material damping characteristics of soil with nonplastic fines or if the incorporation of a fines content parameter improves predictions. This goal was primarily accomplished by reconstituting and testing samples of an alluvial deposit from Dillon Dam, Dillon, Colorado according to predetermined gradation curves with variable amounts of non-plastic fines. Among the findings of this investigation are: (1) soil parameters such as Cu and D50 can be related to dynamic properties of soils with up to 25% fines, (2) the effects of non-plastic fines on the small-strain dynamic properties of soils are not very pronounced for soils with less than 25% fines, and (3) an increase in the amount of non-plastic fines in uniform soils or soils with more than 25% fines generally results in lower values of small-strain shear modulus, higher values of small-strain material damping, and more linear G/Gmax - log([gamma]) and D - log([gamma]) curves. The effect of non-contacting, larger granular particles in a finer soil matrix is also investigated along with the impact of removing larger particles from laboratory samples. / text

Le comportement nonlinéaire des sols observé lors des mouvements sismiques forts est maintenant bien admis et le déploiement des puits accélérométriques a permis des analyses détaillées de la propagation des ondes ainsi qu’une évaluation quantitative des paramètres physiques tels que la vitesse de cisaillement et de compression des ondes et les facteurs d’amortissements en fonction de la déformation. En dépit du nombre grandissant d’études sur ce phénomène, sa connaissance est encore récente et les recherches sur les données de puits accélérométriques restent une étape importante vers la compréhension du comportement complexe in-situ des sédiments soumis à des mouvements sismiques forts.L’objectif de ces travaux est triple. Premièrement, un code d’inversion par algorithme génétique est développé afin d’inverser des données de puits accélérométriques via la théorie des matrices de propagation de Thomson-Haskell. Cette technique nous permet dans un premier temps de valider la structure en une dimension (1D) (e.g., vitesse des ondes de cisaillement, facteurs d’ amortissements) d’un puits accélérométrique dans le domaine linéaire et dans un second temps de mettre en évidence de manière quantitative le comportement nonlinéaire des sédiments lors du séisme de Fukuoka, 2005, Japon. Deuxièmement, les résultats de l’inversion sont utilisés pour tester des lois de comportement simples et avancées en utilisant la Méthode des éléments Finis. Les résultats montrent clairement que l’hypothèse bi-linéaire de la loi de comportement simple produit des séries temporelles non réalistes en vitesse et en accélération. L’utilisation d’une loi de comportement avancée mène à de meilleurs résultats, cependant, le nombre de paramètres ajustables pour obtenir des résultats consistants avec l’observation est un obstable inévitable. Troisièmement, afin d’étendre l’étude des effets de site à des dimensions supérieures, des codes 2D et 3D de la Méthode en éléments Spectraux sont développés et validés en comparant leurs résultats dans le domaine linéaire avec ceux obtenus théoriquement ou via d’autres méthodes numériques. / Nonlinear behavior of soft soils observed during strong ground motions isnow well established and the deployment of vertical arrays (i.e., boreholestations) has contributed to detailed wave propagation analyses and the assessmentfor quantitative physical parameters such as shear-wave velocity,pressure-wave velocity and damping factors with respect to shear strain levels.Despite the growing number of studies on this phenomena, its knowledgeis still recent and research on borehole station data remains an importantstep toward the understanding of the complex in-situ behavior of soft sedimentssubjected to strong ground motions.The purpose of this work is threefold. First, an inversion code by geneticalgorithm is developed in order to inverse borehole stations data viathe Thomson-Haskell propagator matrix method. This technique allows usto validate the one-dimensional (1D) structure (e.g., shear-wave velocity,damping factors) of a borehole in the linear elastic domain and to showquantitative evidence of the nonlinear behavior of the soft sediments duringthe 2005 Fukuoka Prefecture western offshore earthquake, Japan. Second,the results of the inversion are used in order to test simple and advancedconstitutive laws using the Finite Elements Method. The results clearlyshow that the bi-linear assumption of the simple constitutive law producesunrealistic velocity and acceleration time histories. The use of the advancedconstitutive law leads to better results, however, the number of parametersto be tuned in order to obtain results consistent with the observation is anunavoidable obstacle. Third, in order to extend the study of site effects tohigher dimensions, 2D and 3D codes of the very efficient Spectral ElementsMethod are developed and validated by comparing their results in the lineardomain with those obtained theoretically or with other numerical methods.