Projet ANR-11-JAPN-0002 – ONAMAZU : Evaluation quantitative de la réponse non-linéaire des sols lors du grand séisme Tohoku de 2011
Programme : Great Tohoku Earthquake (FLASH JAPON)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Florent DE MARTIN (BUREAU DE RECHERCHES GEOLOGIQUES ET MINIERES - BRGM)
Partenaires : Bureau de recherches géologiques et minières; Divers public; Institut français des sciences et technologies des transports, de l'aménagement et des réseaux; Divers public; Divers privé
Montant : 59800.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 18 mois
Résumé : Vers une meilleure évaluation de l’aléa sismique : le non-linéaire est notre avenir.L’hypothèse d’un comportement linéaire des sols lors de mouvements sismiques forts est aujourd’hui dépassée. Une meilleure évaluation de l’aléa ne se fera qu’à travers la compréhension des mécanismes non-linéaires complexes intervenant lors de la réponse dynamique des sols.
Caractérisation de la réponse non-linéaire et inversion des profils de sols linéaires équivalents.Le grand séisme de Tohoku est une opportunité exceptionnelle pour étudier le comportement complexe des sols car il a généré de fortes accélérations à plusieurs dizaines de sites. L’analyse des informations in-situ incluses dans les accélérogrammes enregistrés en surface et en profondeur permettra d’aborder la problématique du comportement non-linéaire des sols selon différents angles : Les problèmes tels que la variation de la fréquence prédominante de la fonction de transfert d’un site en fonction du temps ainsi que la détermination de colonnes de sols linéaires équivalentes lors du choc principal seront abordés.A court terme, les résultats du projet ONAMAZU auront une influence sur la recherche en matière de comportement non-linéaire 1D in-situ des sols au niveau national et international.A moyen terme, l’évolution vers des inversions 1D non-linéaires (i.e., et non plus 1D linéaire équivalent) ou vers des inversions 2D linéaire équivalent permettront d’élargir notre compréhension du phénomène complexe régissant le comportement dynamique des sols.
Fonctions de transfert temps-fréquence et inversions par algorithme génétiqueAfin d’identifier les sites ayant une réponse potentiellement non-linéaire, la technique de proxy développée par Idriss, 2011 est utilisée. Cette technique, via des grandeurs usuelles en sismologie (i.e., Peak Ground Acceleration (PGA), Peak Ground Velocity (PGV) et Vitesse moyenne des ondes S pondérée par l’épaisseur des couches sur les 30 premiers mètres (Vs30)), reproduit qualitativement le comportement non-linéaire dans l’espace contrainte-déformation. Des graphiques du type PGA en fonction de PGV/Vs30 (proxy pour la déformation) montrent clairement une relation non-linéaire (similaire à celle dans l’espace contrainte-déformation) pour les classes de sols ayant une faible Vs30.L’évolution temps-fréquence de la fonction de transfert d’un site est analysée grâce à la transformée de Stockwell des enregistrements en puits accélérométrique. Cette transformée permet une meilleure résolution temporelle qu’un simple spectrogramme. Le suivi de l’évolution de la fréquence prédominante lors du choc principal met clairement en évidence une diminution de la fréquence lors que l’amplitude de l’accélération augmente.Les profils de sols linéaires équivalents lors du choc principal sont obtenus via des inversions des données in-situ. La méthode d’optimisation utilisée est l’algorithme génétique couplée avec la solution semi-analytique de propagation des ondes en milieu 1D (i.e., matrice de propagation de Thomson-Haskell).
Résumé de la soumission : Le 11 mars 2011, un grand séisme de subduction de magnitude Mw 9 a eu lieu aux larges des côtes pacifiques du Japon,  avec un épicentre a environ 70 kilomètres de profondeur à l’est de la péninsule Oshika de Tohoku et un hypocentre à une profondeur d’environ 32 km. C’est le plus puissant des séismes qui frappa le Japon et un des cinq plus puissants séismes au monde depuis le début des enregistrements en 1900. Grâce à divers réseaux japonais, des données de qualité excellente ont été enregistrées. En particulier, plusieurs données de mouvements forts ayant une longue durée et un fort pic en accélération et vitesse (PGA et PGV, respectivement en anglais) ont été enregistrées dans les préfectures de Miyagi, Ibaraki, Tochigi et Chiba. Ces longues durées et forts PGAs sont très probablement les caractéristiques d’enregistrements amplifiés par des effets de site (i.e., modification des ondes provenant de la source à cause du contraste d’impédance entre le rocher et les bassins sédimentaires plus mous). En raison des forts PGVs, les niveaux de déformations des sédiments sont élevés et leur réponse n’est plus linéaire élastique. La non-linéarité des sols est, cependant, un phénomène très complexe et la recherche dans ce domaine est essentielle pour les futures données d’entrée des dimensionnements parasismiques. Grâce aux données enregistrées durant le séisme de Tohoku de 2011, différents types de comportement non-linéaire des sols ont été observés allant de la classique dé-amplification des (hautes) fréquences à la liquéfaction. Nous avons pour premier objectif d’utiliser les données des séismes précédant le choc principal et des répliques pour mieux caractériser et identifier le comportement non-linéaire des sols en fonction du PGA et des valeurs d’accélération spectrales (ou d’autres paramètres de mouvements forts). Notre second objectif est d’utiliser le choc principal, des répliques et des mesures de bruit de fond pour extraire les caractéristiques de mouvements forts de certains sites (ex. KiK-net et K-NET) et plus spécifiquement, de quantifier leur réponse non-linéaire à des fortes sollicitations. De plus, nous utiliserons une nouvelle technique basée sur la théorie des champs diffus qui nous permettra l’utilisation du ratio spectral H/V pour extraire les propriétés dynamiques des sols avec précision. Si nous montrons que cette nouvelle technique est fiable, nous serons alors capables de proposer une méthode in situ relativement peu chère (i.e., une station en surface uniquement) pour caractériser non seulement les paramètres linéaires des colonnes de sols tels que la vitesse des ondes S, la densité et l’amortissement, mais aussi leur dépendance avec le niveau de déformation. Ces travaux tireront avantages d’une longue collaboration avec nos collègues japonais du Disaster Prevention Research Institute (DPRI), du National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention (NIED) et de Shimizu Coorporation ; rendant ainsi ce projet une opportunité de partager notre savoir-faire et nos données afin de mieux comprendre le comportement non-linéaire des sols pour au final prédire les mouvements forts avec précision pour un meilleur dimensionnement des constructions en génie parasismique.
Résultats : L’utilisation de la technique d’Idriss, 2011 a démonté la facilité avec laquelle un site quelconque peut être analysé afin d’en détecter sa potentielle réponse non-linéaire. Après traitement des données enregistrées avant, pendant et après le grand séisme de Tohoku 2011, nous avons mis en évidence que pour les sites japonais, le comportement non-linéaire des sols apparait pour une Vs30 d’environ 500 m/s (cf. Figure 1). Cette observation est corrélée avec les inversions de donnée in-situ décrites ci-dessous.
L’utilisation de la transformée temps-fréquence de Stockwell pour le calcul de la fonction de transfert a mis en évidence une diminution de la fréquence prédominante aux alentours du PGA du choc principal (cf. Figure 2). Cette diminution est partiellement recouvrée à la fin du séisme, ce qui démontre (en accord avec les tests sur échantillons en laboratoire) que les sols (qui ne subissent pas de liquéfaction) « guérissent » rapidement après une forte sollicitation.
L’inversion de la colonne de sol linéaire équivalente à la station MYGH10 met clairement en évidence la diminution des ondes de cisaillement et l’augmentation de l’amortissement lors du choc principal (cf. Figure 3). De plus, ces résultats montrent que le rocher (formation géologique très dure sensée se comporter linéairement) exhibe une diminution des ondes de cisaillement sans pour autant subir une augmentation de l’amortissement. Ces résultats (pour la première fois mis en évidence par des inversions in-situ) sont d’une grande importance et méritent d’être approfondis.
Perspectives : Les résultats obtenus sur le site MYGH10 sont très intéressants, aussi bien d’un point de vue de l’évolution temporelle de la fréquence prédominante que de l’inversion des paramètres linéaires équivalents lors du choc principal. Afin de valider les hypothèses émises lors de ces 6 premiers mois de recherche, nous étudierons selon la même méthodologie d’autres sites choisis en accord avec nos collègues japonais. La généralisation des phénomènes observés (e.g., comportement non-linéaire élastique du rocher) à d’autres stations serait d’une grande importance pour la compréhension du comportement non-linéaire des sols lors des mouvements sismiques forts.
Publications et brevets : Un article + présentation orale sur l’inversion des paramètres linéaires équivalents de la station MYGH10 lors du « International Symp. on Engineering Lessons Learned from the Giant Earthquake », Tokyo, Japan, March 3-4.
Une présentation orale du projet ONAMAZU et des résultats préliminaires lors du « DPRI International Workshop on Strong Motion Evaluation and Prediction », Kyoto University, Japan, March 5.
Cf. document « Formulaire Compte-rendu intermédiaire-International-anglais-final.doc » pour détails.