Evaluation et réduction des risques sismiques liés à la liquéfaction : modélisation numérique de leurs effets dans l’ISS

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.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

PRENOLIN project. Results of the validation phase at sendai site

One of the objectives of the PRENOLIN project is the assessment of uncertainties associated with non-linear simulation of 1D site effects. An international benchmark is underway to test several numerical codes, including various non-linear soil constitutive models, to compute the non-linear seismic site response. The preliminary verification phase (i.e. comparison between numerical codes on simple, idealistic cases) is now followed by the validation phase, which compares predictions of such numerical estimations with actual strong motion data recorded from well-known sites. The benchmark presently involves 21 teams and 21 different non-linear computations. Extensive site characterization was performed at three sites of the Japanese KiK-net and PARI networks. This paper focuses on SENDAI site. The first results indicate that a careful analysis of the data for the lab measurement is required. The linear site response is overestimated while the non-linear effects are underestimated in the first iteration. According to these observations, a first set of recommendations for defining the non-linear soil parameters from lab measurements is proposed. PRENOLIN is part of two larger projects: SINAPS@, funded by the ANR (French National Research Agency) and SIGMA, funded by a consortium of nuclear operators (EDF, CEA, AREVA, ENL)

Effect of coupling excess pore pressure and soil deformation on the nonlinear response

The development of excess pore pressure (pw) and consequent reduction in effective stress leads to the softening of a liquefiable soil deposit that can alter ground motions in terms of amplitude, frequency content, and duration. To assess these effects in a 1D medium to loose sand model, two analyses were made: (1) A BIOT hydraulic and mechanical computation of a saturated soil deposit and (2) a mechanical computation of a dry soil with equivalent behavior. The results regarding the profile of maximum accelerations and shear strains, the surface accelerations and their corresponding response spectra ratio are analyzed. The mean values of the normalized response spectra ratio between the wet and dry surface acceleration show a deamplification of high frequencies (i.e. f > 1.0Hz) and an amplification of low ones that tend to increase with the liquefaction zone size. Coupling of pw and soil deformation is therefore of great importance to accurately model the ground motion response. On the contrary, while peak acceleration predictions could be conservative, the amplification on the low frequencies could be largely underestimated which would be highly prejudicial for tall buildings

Assessment and mitigation of liquefaction seismic risk : numerical modeling of their effects on SSI

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

Numerical Modeling of Discrete Spatial Heterogeneity in Seismic Risk Analysis : Application to Treated Ground Soil Foundation

International audienceA finite element soil-structure interaction model is coupled with a discrete auto-regressive code, in order to analyze the effect of added spatial variability due to soil improvement in seismic risk analysis. The success of soil improvement techniques is related to the effectiveness of the method-i.e. how much of the soil is being changed-but also to its efficiency in improving the soil behavior-i.e. how much are the liquefaction and liquefaction-induced settlement reduced. As these techniques can add spatial variability to a deposit, it can affect the triggering of liquefaction on the soil and the behavior of the structures above it. In this study, this heterogeneity is modeled as a binary mixture, composed by the original liquefiable sand and the added treated sand. The soil behavior is represented by a fully nonlinear elastoplastic multi-mechanism model. The co-seismic settlements of the structure and the liquefaction of the soil deposit are estimated for different effectiveness levels-measured by mixture fractions-and for different spatial distributions. In general, both very small or very high mixture fractions presented low efficiency as the improvement in the relative settlement was small. Additionally, results show that the interaction between loose and dense deposits is highly dependent on the spatial distribution. Therefore , homogeneous equivalent models will rarely correspond to the average of the heterogeneous response

Effect of coupling excess pore pressure and deformation on nonlinear seismic soil response

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An open-source application software for spatial prediction of permanent displacements in earthquake-induced landslides by the Newmark sliding block method:

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