Géotechnique sismique : réponse dynamique des sols et des structures
OBJECTIF : mieux prédire la réponse des sols et des bâtiments dans des milieux complexes (bassins sédimentaires, reliefs, mouvements de terrain) soumis à des vibrations naturelles (séismes) ou anthropiques (ex: train).
Thèmes de recherche :
- propagation des ondes sismiques dans des milieux complexes (bassins sédimentaires, reliefs, et mouvements de terrains) incluant la non linéarité ;
- mesures in-situ des vibrations sismiques et anthropiques ;
- suivi temporel des caractéristiques mécaniques des sols et des structures ;
- réponse des structures soumises à des séismes avec prise en compte des interactions entre les bâtiments et leur environnement (interaction sols-structures et site-ville);
- déplacements sismo-induits dans les versants avec prise en compte des interactions mouvements de terrain - ondes sismiques ;
- impact des vibrations anthropiques (train, métro) sur les mouvements du sol (approche expérimentale et modélisation numérique) ;
Mots clés : effets de site lithologiques et topographiques, non linéarité des sols, aléa sismique, mouvements de terrain, bâtiments, structures périodiques, interaction sols-structures, vibrations anthropiques.
Collaborations nationales : BRGM, CEREMA, IRSN, CEA, IPGP, ISTERRE, GEOAZUR, ENTPE, SNCF, EDF, EPOS-Fr
Collaborations internationales : Uni. La Sapienza-Rome Italie, CNRS-Liban, USGS-Etats-Unis, SCEC-Etats-Unis, NCSU Etats-Unis, ETHZ-Suisse, GFZ-Allemagne, INGV-Italie, Politechnico Milano-Italie, UTCB – Roumanie, ERI-Japon, DPRI-Japon, Univ. Chili, Ecole polytechnique Nationale (EPN) Equateur, Service sismologique national de Colombie
PROJETS
URBIDAS: sous-sol URBain : Imagerie et monitoring par mesure DAS
Porteurs : Etienne BERTRAND Université Gustave Eiffel, Ianis GAUDOT (BRGM)
Laboratoires / organismes impliqués : Université Gustave Eiffel – laboratoires GERS/SRO & GERS/GeoEND, IPGP – équipe sismologie, BRGM DRP/IGT, Financement : ANR via PEPR Sous-Sol (projet ciblé S-PASS)
Coût total : 1007 k€. Soutien financier pour l’Université Gustave Eiffel : 120 k€
L’auscultation du sous-sol, classiquement réalisée à partir de techniques géophysiques, est rendue difficile dans une ville en raison des conditions intrinsèques au milieu urbain : bruit, sous-sol très hétérogène et milieu fortement anthropisé.
Les méthodes d’imagerie sismiques sont utilisées couramment pour la connaissance et la surveillance des propriétés mécaniques des 0-100m du sous-sol pour de nombreuses applications (infrastructure routières, ferroviaires, barrages, digues, cavités et carrières, glissements de terrain, etc.). Elles permettent notamment de compléter, de spatialiser et d’étendre certaines informations ponctuelles obtenues à partir de forages destructifs. Leur application est cependant rendue difficile en ville en raison des conditions intrinsèques au milieu urbain : En particulier, les difficultés d’accès nuisent au déploiement de la grande densité de capteurs nécessaire à l’obtention de la résolution suffisante.
Ces dernières années, des techniques de mesures acoustiques distribuées sur fibres optiques (DAS) ont été mises au point, permettant de transformer les milliers de kilomètres de fibres optiques de télécommunication déjà installées en ville et sur les réseaux et infrastructures de transport, en réseaux de capteurs sismiques permanents ultra-denses (capteur continu flexible à très faible coût, installation préexistante et pérenne, résolution <2m, distance >50km à partir d’une seule unité d’acquisition à une extrémité de la fibre). Il a déjà été montré que ces fibres optiques peuvent être utilisées pour mesurer des phénomènes grandes échelles (> 1 Km, applications sismologiques – Lindsay and Martin 2021), aux échelles intermédiaires (100 m, application réservoir – Correa et al 2021), mais leur utilisation aux petites échelles (5 -100m pour la caractérisation et la surveillance du proche sous-sol et les applications géotechnique) reste beaucoup moins explorée même si les premiers résultats sont très prometteurs (Martin and Biondi 2017, Yuan et al 2020). En outre, le contexte urbain peut devenir favorable à ces méthodes grâce à la possibilité d’utiliser le bruit sismique urbain (train, métro, trafic, chantiers, etc.) comme sources sismiques pour l’imagerie et le suivi temporel. Le caractère permanent des installations de fibres de télécommunication ouvre également la porte à leur utilisation pour une surveillance fine des infrastructures sur de longues périodes.
Nous proposons dans le cadre du projet exploratoire S-PASS du PEPR Sous-Sol de tester l’applicabilité des techniques d’investigations et de monitoring du proche sous-sol initialement développées pour les mesures sur capteurs conventionnels, aux mesures sur fibre optique. Le projet repose ainsi sur l’adaptation de protocoles d’acquisition et de traitement pour leur utilisation avec la fibre optique. Le projet va permettre ainsi de développer des outils d’inversion et de tomographie adaptés aux échelles décamétriques.
E-CITY: Near-fault observation and simulation of earthquake ground motion in an urban Environment
This project aims to go beyond the current seismic risk assessment framework, incorporating recent research progresses made in earthquake data observation and numerical modelling in the near fault environment. The key scientific questions are (1) how the spatial variability and the particularity of the near-fault seismic ground motion impact the soil and the structure; (2) how these seismic excitations damage and change the medium properties; and (3) how the building clusters contribute to the spatial variability of the near-fault ground motion in urban environment. In particular, we will bring both numerical and observational approaches to study the 2016 Kumamoto in Japan and the 2019 Ridgecrest in California earthquakes. These events have a large number of records in the vicinity of the epicentral area, whose analysis will address questions 1 and 2 and bring an international collaboration with colleagues from Japan, USA, and Ecuador. Question 3 will be conveyed by demonstrating the impact of a building environment on the seismic risk assessment targeting the city of Quito (Ecuador), which is located on a piggyback basin created on the hanging wall of an active reverse fault. The civil engineering structure and site characteristics are known thanks to semi-dense temporary networks deployed in the open/urban transition area (ANR REMAKE, 2016-2019). Our project will respond to the needs of low-probability-highconsequences (LPHC) seismic risk in urban areas subjected to nearby earthquakes faults.
LandSeisR : Réactivation d'un mouvement de terrain par des séismes
Porteur : Céline Bourdeau
Collaborations : entreprise Seistream et BRGM
Financement : Fond propre Univ. Eiffel (AIR SMouS) et DGPR
Un des enjeux actuels de la protection des biens et des personnes en zone de montagne concerne l’évaluation du potentiel de réactivation des mouvements de terrain anciens par les précipitations mais aussi par les séismes. Les 1ers travaux de recherche menés sur les mouvements de terrain sismo-induits (Keefer, 1984) ont montré que la plupart des mouvements de terrain générés par des séismes se produisent lorsque la magnitude du séisme est supérieure à 5. Aujourd’hui encore, on sait assez peu de choses de l’impact des séismes modérés sur la stabilité des versants.
Lancé en 2022 par l’Université Gustave Eiffel (projet SMouS), ce projet a pour objectif d’étudier l’impact de la sismicité régionale des Pyrénées sur le glissement de terrain de Gourette. Il s’inscrit à present dans le projet SPIRAL (Stratégie PYRénéenne d'Avis de décLenchement de mouvements de terrain : https://www.brgm.fr/fr/projet-cours/spiral-strategie-pyreneenne-avis-declenchement-mouvements-terrain) qui vise à réduire l'impact des glissements de terrain dans les Pyrénées.
Dans ce projet, nous cherchons à caractériser la dynamique du glissement de terrain Gourette au moyen de l’analyse de séries temporelles de données sismologiques enregistrées sur le site. Ces dernières seront complétées par des modélisations numériques de la réponse dynamique du site.
Impact des vibrations anthropiques générées par le passage de trains sur le milieu environnant en contexte urbain (Rome, Italie)
Porteurs : Céline Bourdeau, Luca Lenti et Roberto Perazza
Ce projet vise à étudier les effets, en surface de zones urbaines, des vibrations générées par le passage de trains dans des tunnels souterrains. Ces effets sont évalués, au moyen de simulations numériques 2D en éléments / différences finis, en considérant les hétérogénéités géologiques des bassins sédimentaires dans lesquels se propagent les ondes et la variabilité des sources vibratoires. L’objectif de ce projet est notamment de quantifier la contribution des ondes de surface au mouvement total à la surface des modèles. Ce projet, réalisé en collaboration avec le Cerema et l’Université de la Sapienza (Rome, Italie) a été initié il y a 1 an, dans le cadre d’un stage de master d’une année (Roberto Perazza, encadrement : L. Lenti, C. Bourdeau et S. Martino). Il va se poursuivre en 2021, année durant laquelle nous souhaitons mener des études paramétriques visant à définir l'impact de certaines configurations sur les mouvements : position des galeries le long du profil géologique de la vallée, profondeur des galeries par rapport à la surface du sol, impact de la stratification géologique de la vallée, impact de différents types de trains, impact de la présence de bâtiments en surface des modèles.