5. Conclusion : Protocole
5.2. Applications
5.2.3. Analyse de données de bruit de fond en réseau enregistrées en Grèce
5.2.3.1. Introduction
Dans le cadre de la caractérisation des stations accéléromètriques, sept stations grecques ont été choisies pour tester les méthodes basées sur le bruit de fond. Ces stations ont été choisies car des mesures de vitesse de cisaillement, par cross-hole ou SPT, sont disponibles. L’étude réalisée suit le protocole décrit au paragraphe 5.1 qui fournit un degré de confiance aux profils de vitesse résultant de l’analyse.
Le but de cette étude est, d’une part de savoir si les méthodes basées sur le bruit de fond sont adaptées à la caractérisation des stations accéléromètriques, et d’autre part, de tester le protocole. En effet, grâce à la possibilité de comparer des profils de vitesse résultat avec les vitesses connues par essais géotechniques, cette étude nous permet de vérifier la pertinence de la notation mise en place dans le protocole. De plus on tachera de mettre en valeur les principaux problèmes d’interprétations.
Cette étude concerne sept sites où ont été réalisées des mesures de bruit de fond en réseau en été 2005 par P. Gueguen, A. Savvaidis et C. Michel. Les étapes 1 et 2 du protocole ont été suivies pour la réalisation des mesures, en particulier pour choisir les ouvertures des réseaux à partir d’abaques. Ceci a été simplifié par la connaissance de vitesse des ondes S, nécessaire pour l’utilisation des abaques.
Compte tenu du matériel disponible, une Cityshark II et 6 capteurs Lennartz, une géométrie circulaire avec un capteur central et cinq capteurs sur la circonférence a été choisie. Un résumé des résultats est présenté ici et on pourra aussi se référer à l’article de la conférence ESG 2006 [Savvaidis et al., 2006], pour d’autres observations.
Pour chaque site les résultats seront présentés sous forme d’un tableau type décrit dans le Tableau 9 qui suit. Pour le système de notation on se référera au descriptif du protocole page 111.
Tableau 9: Tableau type de résumé des résultats des méthodes combinées utilisant le bruit de fond pour un site
Résultats des rapports H/V (réseau de x m de rayon) Pic ? Constant ? score
Graphique de haut: Chaque courbe noire correspond au rapport H/V moyen pour les 6 capteurs Graphique du bas : Le niveau de gris représente l’évolution de l’amplitude pour chaque capteur selon
leur position sur le cercle (distance relative à partir du 1er capteur en ordonnée)
Y a-t-il un pic net avec une
amplitude supérieure à
2 ? (oui=1 point)
Est-ce que la forme des rapports
H/V reste stable dans l’espace ?
(oui=1 point)
/2
Espace initial des paramètres :
FK et SPAC 2c yyym : une couche de yyy mètres au maximum sur un substratum
2c yyymgrad : une couche de yyy mètres au maximum sur un substratum avec une évolution de la vitesse en gradient Profils après inversion de
SPAC Profils après inversion de FK /1
Profils sélectionnés avec une erreur inférieure à e1, DC théoriques correspondantes en
gris ou niveau de gris, et DC estimée avec FK en points
noirs
Profils sélectionnés avec une erreur inférieure à e2, DC théoriques correspondantes en
niveau de gris, et DC théorique du modèle géotechnique en trait plein
Comparaison des profils de vitesse sélectionnés, obtenus après inversion SPAC et FK (0=nul, 0.5:moyen, 1:bon)
/1
Courbe de dispersion de SPAC (niveau de gris)
Courbe de dispersion de FK (noire)
Comparaison de la DC calculée par FK et des DC correspondants aux modèles sélectionnés de l’inversion de
SPAC (0: nul, 0.5: moyen, 1: bon)
Étalement Vs0max – Vs0min /1
f0(SH)= f0(H//V) ?
Figure avec la réponse SH (niveau de gris) des modèles sélectionnés dans l’inversion de la DC FK et le rapport
H/V (courbe noire)
/1
Largeur de la bande de
fréquence Log(fmax)- log (fmin) /2
Plat ? On calcule A(fmax) – A(f1)
avec f1 = fmax/1.3, le score en découle (voir protocole) /1
Total: /10
Commentaires :
- Vitesse moyenne sur les 10 1ersm en comparaison avec les mesures géotechniques. - Quels sont les résultats conservés d’après le score final.
- Vérification du degré de confiance par rapport aux profils Vs disponibles
Remarques sur les principales sources d’erreur avec la prise en compte du but de l’étude : cherche-t-on une vitesse en surface ou un profil complet ?
Fiabilité du protocole
Notation : DC : dispersion curve ou courbe de dispersion FK : Analyse dans le plan Fréquence- nombre d’onde SPAC : SPatial AutoCorrelation
Fmax: fréquence maximale à laquelle est définie la courbe de dispersion Fmin : fréquence minimale à laquelle est définie la courbe de dispersion
5.2.3.2. Aigio
Résultats des rapports H/V (réseau de 11m) Pic ? constant ? score
Oui à 5.8 Hz mais avec une
faible amplitude oui 1.5
Espace initial des paramètres: Fk et SPAC
2c 50 mètres
Profils après inversion de SPAC Profils après inversion de FK 0.75
erreur<0.5 (profil cross-hole en noir, DC FK en points
noirs) erreur<0.6 (modèle en trait plein foncé) Courbe de dispersion de SPAC (vert) Courbe de dispersion de FK (noire) 1
Étalement 130 m/s 1
f0(SH)= f0(H//V) ?
Réponse SH en niveau de gris, H/V en noir 1
Largeur de la bande de fréquence 5.9 à 18.7 Hz 0.5
Plat ? A(18.7)–A(14.4)=388-457=-69m/s entre 15 et 25% de 388 m/s 0.5 Total: 6.25
Commentaires :
- Le score total correspond à un résultat fiable. Estimation :370 <Vs10< 500 m/s. Cependant il y a toujours peu de précision sur la profondeur et la vitesse du substratum est très mal contrainte
- Résultats retenus : On ne fait confiance qu’aux valeurs dans la 1ère couche c’est-à-dire jusqu’à 15m environ, et une épaisseur de l’ordre de 20m est considérée comme un bon ordre de grandeur pour l’épaisseur de la 1ère couche car la réponse SH et le H/V sont proches. - Les profils des mesures géotechniques confirment les résultats retenus, avec Vs10
géotechnique de 400 m/s soit 25% d’erreur au maximum, et les ordres de grandeur de l’épaisseur et de la vitesse du substratum sont bons.
- Sources d ‘erreur : On remarque un saut du mode fondamental au 1er mode supérieur de la courbe de dispersion.
5.2.3.3. Korinthos
Résultats des rapports H/V (réseau 7.6 m) Pic ? constant ? score
Oui à 0.5 Hz oui 2
Espace initial des paramètres: Fk et SPAC
2c100m grad
Profils après inversion de SPAC Profils après inversion de FK 0.5
erreur<0.6 (DC FK en noir)
erreur<0.6 (modèle en trait plein gris foncé) Courbe de dispersion de SPAC (vert-jaune) Courbe de dispersion de FK (noire) 1
Étalement 100 m/s 1
f0(SH)= f0(H//V) ? 0
Largeur de la bande de fréquence 2.3 à 16.5 Hz (en combinant FK et SPAC) 0.9
Plat ? A(16) – A(12.3)=236-252=-16 m/s <15% de 236 1
Total : 6.4
Commentaires :
- Le score total correspond à un résultat fiable.194 m/s < Vs10 < 294 m/s avec l’inversion de la courbe de dispersion
- Rmax = 30 m soit une profondeur d’investigation de 20m ce qui correspond aussi à l’épaisseur de la 1ère couche pour laquelle on a confiance dans les valeurs de vitesse - Vs10= 212 m/s avec les mesures géotechniques, soit 38% d’erreur au maximum. Dans ce
cas la vitesse des 10 1ers mètres est surestimée, et il y a toujours peu de précision sur la profondeur et la vitesse du substratum est très mal contrainte.
- Pas de source d’erreur facilement identifiable. On remarque que l’inversion de vitesse n’est pas facilement appréhendable et pourtant à un rôle sur la valeur de Vs10
5.2.3.4. Lefkas
Résultats des rapports H/V (réseau de 58m) Pic ? constant ? score
non Il y a une forme qui est
globalement constante 0.75
Espace initial des paramètres: Fk et SPAC
2c 100m grad
Profils après inversion de SPAC Profils après inversion de FK 0.75
erreur<0.5 erreur<0.4 (modèle en trait plein gris foncé) Courbe de dispersion de SPAC (couleur) Courbe de dispersion de FK (noire) 0.75
Étalement 100 m/s 1
f0(SH)= f0(H//V) ? 0.25
Largeur de la bande de fréquence 2.2 à 8 Hz 0.6
Plat ? A(8) - A(6.15)=232-352=-93m/s >25 % de 232 0
Total: 4.1
Commentaires :
- Le score total correspond au cas où la méthode n’est pas adaptée, 167 m/s < Vs10 < 266 m/s avec l’inversion de la courbe de dispersion
- Aucun résultat n’est retenu étant donné le score final de 3.05
- Vs10= 213 m/s avec les mesures géotechniques, soit 25% d’erreur au maximum, la notation est donc pessimiste. Notons l’hypothèse sur le modèle pour le calcul des courbes de dispersion: Vp=2*Vs, car on ne dispose que du profil Vs(z).
- Les modes supérieurs sont proches (DC du modèle géotechnique en rouge), la courbe de dispersion de FK semble être influencée par le 1er mode supérieur.
5.2.3.5. Vartholomio
Résultats des rapports H/V Pic ? constant ? score
Oui à 1.5 Hz mais avec une faible
amplitude oui 1.5
Espace initial des paramètres: Fk et SPAC
2c 100m grad
Profils après inversion de SPAC Profils après inversion de FK 0
Courbes inutilisables
erreur<0.4 (modèle en trait plein gris foncé)
Courbe de dispersion de FK (points noirs) 0
C 70 m/s 1
f0(SH)= f0(H//V) ? 0.25
Largeur de la bande de fréquence 2.2 à 5.6 0.4
Plat ? A(5.5) – A(4.2)=200-281=-81m/s>25% de 200 0
Total: 3.15 Commentaires :
- Le total correspond à un résultat non fiable. Vs10 est estimé entre 110 m/s et 180 m/s. - Aucun résultat n’est retenu étant donné le score final
- La vitesse Vs10 géotechnique est de 210 m/s et les résultats de l’inversion sous-estiment Vs10 jusqu’à 47.8 %, les résultats sont en effet peu fiables.
5.2.3.6. Pirgos
Résultats des rapports H/V (réseau de 52m) Pic ? constant ? score
non oui 1
Espace initial des paramètres: Fk et SPAC
2c 100m grad
Profils après inversion de SPAC Profils après inversion de FK 0.75
erreur<0.9 (modèle en trait plein gris foncé)
erreur<0.5 (modèle en trait plein gris foncé) Courbe de dispersion de SPAC (couleur) Courbe de dispersion de FK (noire) 0.75
Étalement 219 m/s 0
f0(SH)= f0(H//V) ? 0
Largeur de la bande de fréquence 2 à 20 Hz 1
Plat ? A(20) – A(15.5)=375-400=25m/s <15% de 375m/s 1
Total: 4.5 Commentaires :
- Le score total de 4.5 correspond à des résultats non fiables, les profiles sélectionnés donnent 297<Vs10<516 m/s
- Aucun résultat n’est retenu avec un score final de 4.5
- Vs10 géotechnique = 203 m/s soit plus de 60% d’erreur. Le résultat est en effet non fiable
- L’erreur doit être due à la mauvaise interprétation de la DC qui se trouva sur les modes supérieurs plus énergétiques que le mode fondamental. Il est difficile de détecter cette erreur sans la connaissance du profil de vitesse !
5.2.3.7. Patras A
Résultats des rapports H/V (réseau de 60m) Pic ? constant ? score
Oui autour de 0.3 Hz mais pas toujours très
prononcé
oui 1.5
Espace initial des paramètres: Fk et SPAC
2c 100m grad
Profils après inversion de SPAC Profils après inversion de FK 0.75
erreur<0.8 erreur<0.6
Courbe de dispersion de SPAC (couleur) Courbe de dispersion de FK (noire) 0.5
Étalement 60 m/s 1
f0(SH)= f0(H//V) ? 0
Largeur de la bande de fréquence De 5.86 à 1.59 Hz 0.6
Plat ? A(5.86) – A(4.5) =205-230=25 m/s< 15% de 205 m/s 1 Total: 5.35
Commentaires :
- Estimation avec FK : 125 < Vs10 < 185 m/s, R max = 60m soit une profondeur d’investigation d’environ 40m
- Seule la vitesse moyenne sur les 10 1ers mètres est prise en compte (pas plus car le H/V ne correspond pas à la réponse SH)
- Nous n’avons pas de profil pour confronter nos résultats
- Les vitesses connues dans ce secteur (cf. Patra2) montre des vitesses beaucoup plus élevées. Ces faibles vitesses peuvent être la cause d’effets de site non négligeables
5.2.3.8. Patras 2
Résultats des rapports H/V (réseau de 15m) Pic ? constant ? score
Oui autour de 0.32 Hz, mais pas très net en basse
fréquence
oui 1.5
Espace initial des paramètres: Fk et SPAC
2c 100m grad
Profils après inversion de SPAC Profils après inversion de FK 0.5
erreur<0.7 (modèle en rouge) erreur<0.5 (modèle en rouge)
Courbe de dispersion de FK (noire) Courbe de dispersion de SPAC (couleur) 0.75
Étalement 225 m/s 0
f0(SH)= f0(H//V) ? 0
Largeur de la bande de fréquence 1.7 and 5 Hz 0.5
Plat ? A(5)–A(3.8)=321-373=54m/s entre 15 et 25% de 321m/s 0.5 Total: 3.75
Commentaires :
- Le score total de 4.5 correspond à des résultats non fiables, les profils sélectionnés donnent : 215 < Vs10 < 440 m/s et le forage donne Vs10~= 316 m/s
- Aucun résultat n’est retenu avec un score final de 3.75
- La vitesse moyenne sur les 10 1ers mètres est estimée à 39 % près au maximum, malgré la probable mauvaise interprétation de la courbe de dispersion qui se situe sur le 1er mode supérieur. Les résultats restent trop étalés et donc peu fiables comme l’indique la notation. - La source d’erreur semble être l’estimation de la DC sur le 1er mode supérieur. - Remarque : Les inversions de vitesse ne sont pas détectées car la DC est mal estimée
5.2.3.9. Conclusion
Les principales remarques que l’on peut faire sur cette étude sont :
Les fréquences fondamentales de résonance, obtenues avec la méthode H/V, sont globalement assez basses pour cette collection de sites grecs. Dans ces cas il est difficile de décrire la colonne de sol en entier car nous n’avons pas des ouvertures de réseaux assez grandes pour atteindre la profondeur correspondant à la fréquence fondamentale. C’est pourquoi l’interprétation du saut de vitesse dans les profils obtenus par inversion doit être faite avec précaution car elle correspond rarement à un saut réel. Pour conclure, on peut avoir confiance dans le profil de vitesse avant ce saut s’il existe ou jusqu’à environ un tiers du diamètre le plus large.
Généralement l’analyse SPAC donne des informations plus basses fréquences que l’analyse FK. Ceci nous permet d’allonger la courbe de dispersion obtenue par FK. L’inversion de cette dernière courbe nous donne souvent des informations plus précises, cependant l’estimation de la vitesse sur les 10 premiers mètres n’est pas changée. Mais l’utilisation des deux analyses reste pertinente car la comparaison des résultats des deux analyses nous donne un degré de confiance supplémentaire.
Il arrive souvent de mal interpréter la courbe de dispersion qui saute du mode fondamental au 1er mode supérieur (comme on le voit pour Agio, Patras2 et Lefkas qui est juste influencé par le 1er mode sans montrer de saut) voire au 2ème mode supérieur (Pirgos). Cependant comme ces modes sont proches entre eux à hautes fréquences l’estimation de la vitesse sur les 10 1ers mètres reste acceptable avec une erreur de 19% en moyenne pour les sites fiables (qui ont un score final strictement supérieur à 4.5).
Pour les scores inférieurs à 4.5 l’estimation de Vs10 est souvent dans une large gamme de vitesse qui peut présenter jusqu’à 60 % d’erreur. La notation est pertinente pour juger de la qualité des résultats, en particulier sur l’estimation de Vs10. Elle peut cependant être quelques fois un peu pessimiste (cf. Lefkas), mais reste presque toujours conservative (sauf pour Korinthos).
La précision sur les courbes de dispersion calculées ne permet pas de définir les inversions de vitesse observés sur les profils géotechniques, ni les variations dans de petites couches. On se pose alors la question de savoir quelle précision nous est nécessaire pour continuer vers une étude des effets de site.
Cette étude nous a permis d’une part, de valider le protocole, et d’autre part, de mettre en valeur les problèmes d’une courbe de dispersion mal estimée qui ne permet donc pas d’avoir une connaissance détaillée sur le profil de vitesse. Cette mauvaise estimation semble souvent liée aux modes supérieurs. Pour conclure, avec les méthodes combinées de bruit de fond, le profil Vs(z) n’est pas déterminé entièrement, mais le protocole permet de connaître les sites où les paramètres de fréquence de résonance et de vitesse moyenne en sub-surface peuvent être déterminés de manière fiable sur une zone correspondant à l’étendue du réseau. Rappelons qu’une caractérisation très fine peut aussi s’avérer très ponctuelle et absolument pas robuste dès que l’on fait d’autres mesures similaires à quelques distances. Les mesures en réseau peuvent alors être avantageuses car elles donnent une valeur plus significative pour une zone donnée.