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Theses Year : 2011

Numerical analysis and geophysical study of the dynamic answer of an unstable rock column

Etude instrumentale et numérique de la réponse dynamique d'une écaille calcaire potentiellement instable

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Abstract

Rockfalls are difficult to predict events, owing to the suddenness of the phenomenon and to the little information available about the mass internal structure. Back analysis of collapses in steep limestone showed that rockfalls were initiated by intact rock bridge failures and that the persistence of joints was the main factor controlling the failure probability. First, we used the seismic noise recorded by autonomous monitoring systems to evaluate the degree of coupling of a prone-to-fall column to the rock massif. Seismic data were acquired on top of a limestone cliff in Chamousset (Vercors) during 4 months until 2 week prior the collapse of a 21,000 m3 column. The column 1st natural frequency was easily identified from ambient noise processing and exhibited a significant drop prior the column failure. Thanks to the monitoring system, thousands of seismic events were detected, out of which, the most energetic ones were classified. Some of these events exhibit clear P and S waves, making possible an analysis of the rupture mechanism as well as the calculation of their magnitude and hypocentral distance. Numerical simulations of rock bridge rupture allowed favouring traction rupture to explain the observed polarizations. Other numerical simulations showed that rupture events can trigger the column resonance, explaining the recurrent presence of specific frequencies in the late coda as well as the higher seismic motions on the column. Finally, we studied the thermomechanical response of another column. The influence of meteorological parameters on the column natural frequencies was shown. Both reversible and irreversible effects on the 1st natural frequency were identified.
Les éboulements rocheux sont difficilement prévisibles en raison de leur soudaineté et du peu d'informations disponibles sur la structure interne du massif rocheux. L'analyse en retour d'éboulements dans des falaises calcaires a montré qu'ils étaient initiés par la fracturation de ponts rocheux et que leur persistance était le principal paramètre à prendre en compte pour des calculs de stabilité. En 1er lieu, nous avons utilisé l'information contenue dans le bruit sismique afin d'évaluer le degré d'instabilité d'une écaille rocheuse. Les données viennent de la falaise calcaire de Chamousset (Vercors) où un réseau sismique a fonctionné 4 mois jusqu'à 2 semaines avant la chute d'une écaille de 21000 m3. Le calcul des spectres de bruit sismique a permis d'identifier la 1ère fréquence propre de l'écaille qui diminue significativement avant l'éboulement. Ce même réseau a enregistré des milliers d'événements dont les plus énergétiques ont été classés. Certains de ces signaux ont des arrivées d'ondes P et S distinctes, permettant d'analyser leur mécanisme de rupture et de calculer leur magnitude et distance hypocentrale. Des simulations favorisent l'hypothèse de ruptures en traction pour expliquer les polarisations. D'autres simulations confirment que les événements situés à l'interface écaille-massif entraînent la résonance de l'écaille, expliquant l'observation de codas mono-fréquentielle avec une amplitude sismique plus forte sur l'écaille. Enfin, l'étude de la réponse thermomécanique d'une 2nde écaille sur un an montre l'influence des paramètres météorologiques sur ses fréquences propres. Les effets réversibles et irréversibles sur ces fréquences ont été identifiés.
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Cite

Clara Levy. Etude instrumentale et numérique de la réponse dynamique d'une écaille calcaire potentiellement instable. Sciences de la Terre. Université de Grenoble, 2011. Français. ⟨NNT : 2011GRENU007⟩. ⟨tel-00568701⟩
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