Caractérisation des phases pré-et post-rupture d'éboulements rocheux de taille intermédiaire : Apport des enregistrements sismiques.

Mid-size rockfalls (10^3-10^5 m^3) represent a substantial hazard in mountainous areas, because of relative high rate of occurrence and destructive power. Consequently, few protection means can be applied, emphasizing the need for monitoring techniques and early warning prior to the collapse. After the rupture, quantitative information on therockfall propagation phase is scarce, owing to their suddenness and location in steep and rugged slopes. In this thesis work, an experimental approach is proposed to derive valuable information from seismic records during rockfall pre-rupture and post-rupture phases.The first part of this work aims at testing the applicability of the ambient vibration technique to monitor unstable rock compartments dynamic response during the pre-rupture phase. This technique {commonly employed in civil engineering for structural health monitoring{ reveals the resonant frequencies of a structure, a decrease in frequencyrevealing potential damage. A previous case study of an unstable limestone compartment brought to light a ~30% decrease in fundamental resonant frequency (f1) two weeks before the collapse, interpreted as a loss in contact stiffness with the adjacent rock mass.Following this innovative work, we selected and instrumented five prone-to-fall medium size rock compartments located in the Occidental Alps, showing various geological contexts (limestones, argillite and shale-sandstone series), deformation patterns and failure mechanisms. Ambient vibrations recorded on-site revealed characteristic seismic noise features. Spectral peaks were observed and attributed to resonant frequencies of the rock compartments, the fundamental resonant frequency (f1) showing clear polarization parallel to the line of maximum slope gradient and perpendicular to the main bounding fracture observed at most of the sites. Similar findings were made for an unstable rock compartment located in a volcanic caldera characterized by rapid morphological changes and intense rockfall activity. The dynamic response of the rear fracture network was explored, showing that spectralcontent of seismic noise is controlled by the caldera structure in the 0.5-5 Hz range. The direction of vibration is polarized perpendicularly to the fractures, while vibration amplitudes appear linked to compartment uncoupling from the rock massif. In this case, the physical origin of seismic noise amplification may be due to complex 2D or 3D resonance effects.For four alpine sites, the fundamental frequency f1 was monitored over more than one year and showed fluctuations clearly correlated with temperature oscillations. The thermal control over f1 is highly complex, showing both positive and negative correlations depending on site morphology and destructuration as well as on the studied oscillations periods (daily or seasonal). No change in fundamental frequency resulting from damage was observed over this time span. One site, characterized by intense rock fracturing and a deep-open rear fracture, showed high f1 sensitivity to temperature changes. Thermomechanical numerical simulations revealed that both material contraction-dilation and thermal dependency of the elastic modulus control f1 fluctuations. In addition, high amplitude seasonal f1 oscillations were explained by ice formation in the rear fracture. A criterion was developed to separate thermal-induced f1 fluctuations from damage effects, under the hypothesis that thermal sensitivity of a rock compartment increases towards failure.The second part of this work relates to the post-rupture phase of rockfalls. The seismic records generated by two mid-size rockfalls (one natural, one provoked) that occurred in the same place were analyzed, showing complex envelope and spectrogram features. Both events showed close magnitude, duration and spectral content. The seismic signals of the provoked event were calibrated using video shots, allowing estimation of fallen material velocity during the successive propagation phases. The seismic signal appeared mainly controlled by the propagation phase, two dominant seismic pulses being related to (1) the ground impact of fallen material after free-fall, and (2) the kinematics of one individual _10 m3 rock block. These two pulses are characterized by similar low frequency content but very different particle motions. The discrete element technique was tested to simulate the provoked rockfall propagation. The initial velocity field, the resolution of the topography model and contact laws parameterization were found of critical importance for matching the observed propagation characteristics.Les éboulements rocheux de volume intermédiaire (103-105 m3) posent un problème sérieux dans les régions montagneuses en raison de leur fréquence d'occurrence relativement élevée et de leur fort pouvoir destructeur. En conséquence, il est difficile de mener des travaux de protection pour réduire l'aléa, ce qui souligne le besoin de techniques de suivi et d'alerte précoce avant la rupture. Après l'éboulement, peu d'informations quantitatives sont disponibles sur la phase de propagation en raison de la soudaineté du phénomène et de sa localisation dans des pentes raides et difficiles d'accès. Dans ce travail de thèse, une approche expérimentale est proposée pour extraire des informations à partir d'enregistrements de signaux sismiques durant les phases pré- et post-rupture d'éboulements. La première partie de ce travail vise à tester la pertinence des vibrations ambiantes pour le suivi temporel de la réponse dynamique de compartiments rocheux lors de la phase pré-rupture. Cette technique -couramment employée en génie civil pour le suivi de l'intégrité des structures- permet d'extraire les fréquences de résonance d'une structure, dont la décroissance peut traduire l'endommagement. Une étude antérieure menée sur une colonne calcaire instable a montré une décroissance d'environ 30% de la fréquence fondamentale de résonance (f1) environ deux semaines avant la rupture, interprétée comme une diminution de la rigidité du contact avec le massif stable adjacent. Afin d'évaluer l'applicabilité de cette méthode dans d'autres contextes, cinq compartiments rocheux instables de volume intermédiaire ont été sélectionnés et instrumentés dans les Alpes occidentales dans des géologies variées (calcaires, pélites, alternance grès-schistes), pour différents mécanismes de déformation et de rupture (glissement en pied, basculement, glissement composé). Les vibrations ambiantes enregistrées sur les compartiments instables montrent des pics spectraux, contrairement aux massifs adjacents. Ces pics sont attribués aux fréquences de résonance des compartiments, dont la fréquence fondamentale (f1) montre une polarisation préférentielle perpendiculaire à la fracture arrière présente sur la plupart des sites.La réponse dynamique d'un compartiment instable situé sur le rebord d'une caldera volcanique (cratère Bory, Piton de la Fournaise, La Réunion) et relié à un réseau de fracturation arrière étendu a été investiguée. Sur le compartiment instable, les caractéristiques du bruit de fond (fréquence de résonance, polarisation) sont comparables avec celles observées sur les sites alpins. A l'intérieur du cratère, la structure et la fracturation contrôlent le contenu spectral du bruit de fond, dans la gamme de fréquences 0,5-5 Hz. La direction de vibration préférentielle est orientée perpendiculairement aux fractures et les amplitudes semblent liées au degré de découplage avec le massif rocheux. Dans ce cas d'étude, l'origine physique de la résonance observée au sein du cratère pourrait être due à des effets de résonance 2D ou 3D.Pour quatre sites d'étude, la fréquence fondamentale (f1) a été suivie sur une période supérieure à un an et montre des fluctuations corrélées avec les variations de température. Le contrôle de f1 par la température est complexe, des corrélations positives ou négatives pouvant être observées selon la morphologie du site, la déstructuration et la période d'étude (journalière ou saisonnière). En revanche, il n'a pas été observé de changement de fréquence fondamentale du à de l'endommagement. La plus forte sensibilité de f1 aux variations de température a été observée sur un compartiment caractérisé par une fracturation intense et séparé du massif par une fracture arrière subverticale largement ouverte. Dans ce cas, les simulations thermo-mécaniques montrent que la contraction-dilatation du matériau et la dépendance de son module élastique à la température permettent d'expliquer les fluctuations de f1. Lors des périodes hivernales, la très forte augmentation de f1 est due à la formation de glace dans la fracture arrière. Par la suite, un critère a été développé en vue discriminer les fluctuations de f1 d'origine thermique et celles induites par de l'endommagement, en faisant l'hypothèse que la sensibilité thermique d'un compartiment instable augmente vers la rupture.La seconde partie de ce travail a pour objectif d'étudier le lien entre la phase post-rupture des éboulements et les signaux sismiques générés. Pour cela, les enregistrements de deux éboulements de volume intermédiaire {un naturel, l'autre provoqué{ survenus au même lieu et à quelques mois d'intervalle ont été analysés. L'enveloppe des signauxsismiques montre une forme complexe avec des signaux émergents et des pulses d'énergie, tandis que le spectrogramme présente une forme triangulaire caractéristique de sources en mouvement et/ou de processus d'entraînement de matériau. Les éboulements naturel et provoqué ont une magnitude, une durée et un contenu spectral comparables. Les signaux sismiques de l'éboulement provoqué ont été calibrés à l'aide de vidéos, permettantd'estimer la vitesse de propagation. Le signal sismique apparait contrôlé principalement par la phase de propagation, les deux pulses dominant le signal étant liés à (1) l'impact de la masse sur le sol après la phase de chute libre et (2) la cinématique d'un bloc isolé de volume ~10 m3. Ces deux pulses sont caractérisés par des contenus spectraux similaires à basse fréquence, mais des polarisations du mouvement très différentes. La méthode des éléments discrets a été testée pour simuler la propagation de l'éboulement déclenché, montrant que le champ initial de vitesses, la résolution du modèle topographique et les paramètres des lois de contact sont les paramètres clés contrôlant le modèle de propagation