Assessment of liquefaction potential using the combined triaxial simple shear apparatus (TxSS)

Abstract

Abstract: In recent decades, several total and effective stress constitutive models have been developed in geotechnical engineering practice to perform one-dimensional site response analysis. These constitutive models have been incorporated in either finite difference or finite element dynamic analysis programs. Also, numerous research work has been done to predict more accurately earthquake-induced pore water pressure more accurately. Hitherto, the developed pore pressure models can be classified into stress, strain, and energy-based models. In the current study, strain-based and energy-based pore pressure models were proposed based on a series of strain-controlled cyclic TxSS tests performed on reconstituted specimens of Baie Saint Paul, Carignan, Ottawa C-109, Ottawa F-65, and Quebec CF6B sands. The proposed strain-based model was used to investigate the equivalent number of cycles concept and to assess the pore pressure as a damage metric. The energy-based model was combined with the Sigmoidal-model in FLAC 2D to introduce a simplified coupled energy-based pore pressure model. The proposed model was calibrated and verified, in terms of shear stress-strain response and excess pore pressure development, based on a series of strain-controlled cyclic TxSS test results. On an elemental-level, the model results were validated under cyclic strain-controlled and stress-controlled tests and a fair agreement was observed between the energy-based model and DSS results in terms of liquefaction resistance. In addition, the proposed model was validated by incorporating the energy-model in FLAC3D platform to study the cyclic behavior under triaxial and simple shear conditions. The numerical simulation clarifies the difference between cyclic triaxial and simple shear conditions as well as the load conditions (i.e. stress or strain-controlled conditions). Further validation was performed by numerical simulation of a centrifuge model conducted by Ramirez et al. (2017) at the University of Colorado Boulder by using the well-established Finn model and by the proposed energy-based model. The comparison shows the capability of the proposed energy-based model in conjunction with the Sigmoidal-model to very well simulate the seismic response in liquefaction analysis. The proposed simplified coupled energy-based pore pressure model was implemented to assess the compatibility of the liquefaction charts in the eastern and western North America as a part of this study. Different hypothetical sand deposits having different fundamental periods were subjected to two scaled-up earthquakes to perform 1-D site response analysis. One is compatible with the National Building Code of Canada 2005 (synthetic earthquake) and another incompatible real earthquake from the western region (Northridge earthquake). The comparison in terms of the generated pore pressure, the equivalent number of cycles and incorporated liquefaction charts (CRR-(N1)60CS) highlights the inaccuracy of using current liquefaction charts in Eastern regions.

Au cours des dernières décennies, plusieurs modèles constitutifs des contraintes totales et effectives ont été devellope dans la pratique de geotechnique pour effectuer une analyse unidimensionnelle de la réponse du site. Ces modèles constitutifs ont en fait été incorporés dans l'analyse dynamique par différence finie ou par éléments finis. De nombreux travaux de recherche ont été effectués pour prédire avec plus de précision la pression d'eau interstitielle induite par le séisme. Jusqu'à présent, les modèles de pression interstitielle développés peuvent être classés en modèles basés sur la contrainte, la déformation et l'énergie-dissipe. Dans le cadre de la présente étude, un modèle de pression interstitielle basé sur la déformation et un autre modèle de pression interstitielle basé sur l'énergie sont proposés à partir d'une série d'essais TxSS cycliques contrôlés par déformation effectués sur des échantillons de sol reconstitué à Baie Saint-Paul, Ottawa C-109, Ottawa F-65 et dans les sables de Québéc. Le modèle basé sur la déformation proposé a été utilisé pour étudier le concept du nombre équivalent de cycles et pour évaluer la pression interstitielle comme mesure des dommages. Cependant, le modèle basé sur l'énergie est combiné avec le modèle Sigmoidal dans le logiciel FLAC pour introduire un modèle couplé simplifié de pression interstitielle basé sur l'énergie. Le modèle proposé est calibré et vérifié, en termes de réponse contrainte-déformation et de pression interstitielles, sur la base d'une série de résultats d'essais TxSS cycliques à contrainte contrôlée. Au niveau des éléments, les résultats du modèle ont été validés dans le cadre d'essais cycliques à contrainte contrôlée et d'essais alternatifs à contrainte contrôlée et une concordance a été observé entre les résultats du modèle énergétique et ceux du DSS en termes de potentielle de liquéfaction. De plus, le modèle proposé a été utilisé en incorporant le modèle d'énergie dans la plate-forme FLAC3D pour étudier le comportement cyclique dans des conditions de cisaillement simple et triaxial. La simulation numérique clarifie la différence entre les conditions de cisaillement cycliques triaxiales et les conditions de cisaillement simples ainsi que les conditions de charge (c'est-à-dire les conditions de contrainte ou de déformation contrôlées). D'autres validations ont été effectuées par simulation numérique d'un modèle expérimental de centrifugeuse mené par Ramirez et al (2017) à l'Université du Colorado Boulder par le modèle Finn bien établi et par le modèle énergétique proposé. La comparaison obtenue montre la capacité du modèle énergétique proposé conjointement avec le modèle Sigmoidal à capturer la réponse sismique dans l'analyse de liquéfaction. Dans le cadre de cette étude, le modèle simplifié de pression interstitielle couplée basée sur l'énergie a été mis en oeuvre pour évaluer la capacité des chartes de liquéfaction dans l'Est et l'Ouest de l'Amérique du Nord. Différents dépôts de sable de niveau hypothétique ayant des périodes fondamentales différentes ont été soumis à deux séismes de grande échelle pour effectuer une analyse 1-D de la réponse du site. L'un est compatible avec le Code Nationale du Batiment 2005 (tremblement de terre synthétique) et un autre tremblement de terre réel incompatible de la région ouest (séisme de Northridge). La comparaison en termes de pression interstitielle générée, de nombre équivalent de cycles et de charte de liquéfaction incorporés (CRR-(N1)60CS) souligne une certaines imprecision de l'utilisation des chartes de liquéfaction actuels dans les régions de l'Est.