Seismic microzonation mapping based on nonlinear site response analysis: methodology development and application to Saguenay, Quebec

Understanding local site effects is essential for accurate seismic hazard assessment at the ground surface, particularly in regions with complex subsurface conditions. This research focuses on the Saguenay region of Eastern Canada, where surficial geology is highly variable, and standard seismic code classification schemes may not adequately capture soil dynamic behavior. Through an integrated study combining analytical, numerical, and empirical approaches, this thesis develops a framework for refined seismic microzonation. It identifies and investigates the effects of geological and geotechnical parameters to improve predictions of seismic site amplification. It begins with a comprehensive 1D nonlinear ground response analysis of 50 soil profiles, incorporating both real and synthetic ground motions scaled to multiple hazard levels defined in NBCC 2020. Results indicate that site parameters, such as shear-wave velocity, total soil thickness, and presence of till layer at the rock interface, exert a significant influence on site amplification, particularly under strong-motion scenarios where nonlinear behavior becomes dominant. Fundamental periods were estimated using both the Equivalent Single Layer and Multiple Layer methods. The nonlinear site period was introduced as a new proxy in the empirical site amplification models adapted to nonlinear conditions during strong earthquake motion. Empirical site amplification models were established using combinations of seven site amplification proxies. The optimal empirical site amplification model included Vs30, Vsavg, TNL, and Htill. Together with existing data from previous microzonation studies, it was used for Level III seismic microzonation of the Saguenay region. La compréhension des effets de site locaux constitue un élément fondamental pour une évaluation précise de l’aléa sismique en surface, notamment dans les régions présentant des conditions de subsurface complexes. Cette recherche porte sur la région du Saguenay, située dans l’Est du Canada, où la géologie de surface se caractérise par une forte hétérogénéité. Dans ce contexte, les schémas de classification sismique actuellement en vigueur ne permettent pas toujours de représenter de manière satisfaisante le comportement dynamique des sols. À travers une étude intégrée combinant des approches analytiques, numériques et empiriques, cette thèse propose un cadre méthodologique pour une microzonation sismique plus fine. Elle vise à identifier et à évaluer l’influence des paramètres géologiques et géotechniques dans le but d’améliorer la prévision de l’amplification sismique liée aux effets de site. L’analyse débute par une modélisation unidimensionnelle non linéaire de la réponse sismique de 50 profils géotechniques, en intégrant à la fois des enregistrements réels et des signaux synthétiques mis à l’échelle en fonction de différents niveaux d’aléa définis dans le Code national du bâtiment du Canada 2020 (CNB 2020). Les résultats révèlent que certains paramètres, tels que la vitesse des ondes de cisaillement, l’épaisseur totale des dépôts meubles, ainsi que la présence d’une couche de till à l’interface avec le substratum rocheux, ont une influence significative sur l’amplification de site — particulièrement sous des sollicitations fortes, où le comportement non linéaire des sols devient prédominant. Les périodes fondamentales ont été estimées à l’aide des méthodes de la couche équivalente et des couches multiples. Une période de site non linéaire a été introduite comme nouveau paramètre représentatif (proxy) dans les modèles empiriques d’amplification, spécifiquement adaptés aux conditions non linéaires induites par des mouvements sismiques intenses. À partir de la combinaison de sept paramètres potentiels, plusieurs modèles empiriques ont été élaborés, parmi lesquels le modèle optimal intègre les variables Vs30, Vsavg, TNL et Htill. Ce modèle, combiné aux données issues d’études antérieures de microzonation, a permis de réaliser une microzonation sismique de niveau III pour la région du Saguenay.

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