Seismic Liquefaction laboratory and in situ testing Improvment of soils Etienne Flavigny, 1 SoilsLiquéfaction ¾Introduction ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ What ? Mechanism from laboratory testing Potential of liquefaction In situ testing Improvment Conclusions 2 Le zonage et les séismes L'Eurocode 8 et ses annexes nationales définissent les actions des séismes sous forme d'une accélération équivalente et d'un spectre. 3 Ground profile from Vs • Vitesse moyenne sur les 30 premiers mètres • Pour les sols de classes S1 et S2 , nécessité d'études spécifiques • Les sols S1 ont un comportement linéaire étendu et peuvent amplifier le mouvement sismique 4 Groun type A : Rock B : Hard soils C: D : cohesionless soil (low density) density) or soft soils E: sols C ou D sur substratum S1 :soft clays and mud S2 :liquefiables :liquefiables sand 5 Classes de sols : ordre de grandeur Paramètres Description du profil stratigraphique Vs,30 NSPT (m/s) A B C D Rocher ou autre formation géologique de ce type comportant une couche superficielle d’au plus 5 m de matériau moins résistant. _ Dépôts raides de sables, de graviers ou d’argiles sur-consolidées, d’au moins plusieurs dizaines de mètres d’épaisseur, caractérisés par 360 - 800 > 50 une augmentation progressive des propriétés mécaniques avec la profondeur. Cu qc EM pl (kPa) MPa MPa MPa > 200 >5 25 à 100 2à5 5 à 25 0.5 à 2 <5 <0.5 _ > 250 > 3.5 (argile) > 20 (sables) Dépôts profonds de sables de densité moyenne, De 1 à 3.5 de graviers ou d’argiles moyennement raides (argile) ayant des épaisseurs de quelques dizaines à 180 - 360 15 - 50 70 - 250 De 6 à 20 quelques centaines de mètres. (sables) Dépôts de sol sans cohésion de densité faible à moyenne (avec ou sans couches cohérentes molles) ou comprenant une majorité de sols cohérents mous à fermes. E Profil de sol comprenant une couche superficielle d’alluvions avec des valeurs de Vs de classe C ou D et une épaisseur comprise entre 5 m environ et 20 m, reposant sur un matériau plus raide avec Vs > 800 m/s S1 Dépôts composés, ou contenant, une couche d’au moins 10 m d’épaisseur d’argiles molles/vases avec un indice de plasticité élevé (PI > 40) et une teneur en eau importante. S2 > 800 Ordre de grandeur < 180 < 100 < 15 < 70 10 - 20 < 1 (argile) < 6 (sables) A : le rocher B : dé dépôts raides C : densité densité moyenne D : sols sans cohé cohésion de densité densité moyenne ou sols cohé cohérents mous à fermes E: sols C ou D sur substratum S1 : argiles molles et vases S2 : sables liquefiables et argiles sensible < 0.3 (argile) Dépôts de sols liquéfiables d’argiles sensibles ou tout autre profil de sol non compris dans les classes A à E ou S1 6 Ground acceleration ¾ l'accélération maximale de référence au niveau d'un sol de classe A, a gR. Catégories d’importance de bâtiment Coefficient d’importance γI Zones de sismicité agr 2 (Faible) 0,7 I 0,8 3 (Modérée) 1,1 II 1 4 (Moyenne) 1,6 III 1,2 5 (Forte) 3 IV 1,4 7 Accélération ¾ l'accélération maximale de référence au niveau d'un sol de classe A, a gR. 8 Earthquake geotechnical engineering problems & case histories Calabria 1783 Irpinia 1980 Mexico 1985 Molise 2002 Abruzzo 2009 Topographic and stratigraphic amplification Rockfalls Niigata 1964 Kobe 1995 Haiti 2010 Liquefaction Instability Subsidence Calabria 1783 Alaska 1964 Kobe 1995 El Salvador 2001 Abruzzo 2009 Landslides Source D'après F. Silvestri ¾Liquefaction 10 what liquefaction ? Soil grain and pore water pressure d’après http://www.liquefaction.com 11 Intergranular actions . 12 Pore pressure Contact forces decrease Pore water increase 13 Example 14 Effect of pore pressure u = pore pressure σ = total stress σ’ = σ - u effective stress (intergranular) ¾ If u increase, σ’ decrease ¾ Liquefaction : σ’ = 0 ¾ Liquefaction for cohesionless soils whit phreatic level ¾ Saturated sands τ = σ tan Φ ' n ' 15 Niigata 1964 16 Niigata 1964 17 Niigata 1964 18 Niigata 1964 19 Niigata 1964 20 Niigata 1964 21 1999 Kocaeli EQ 22 Visualisation 23 Port de Kobé: iles artificielles 24 Kobe (1995) Quai wall Kobe 1995: Liquefaction Embankment 25 Induced settlement 26 Loma Prieta: Sandboils 27 Sand boil mechanism 28 Niigata 1964: sandboils 29 Lateral Spreading 30 San Fernando Dam 31 Anchorage 1964 32 Uplift :Niigata (1964) vs. Kobe (1995) Soulèvement d'un réservoir presque vide : 80 cm 33 Uplift Niigata (1964) vs. Kobe (1995) 80 cm 34 Liquefaction: general approach for the analysis Surface effects Groundwater level τ fine soil τ σ’v sand u = u0 + Δu σ’h u0 σ’v fine soil τeq z bedrock τlim a t Reference input motion Assessment: τeq > τlim In the potentially liquefiable layers D'après F. Silvestri Behavior of sands ¾ Comportement d’un sable en cisaillement statique drainé (εv) ¾ Comportement d’un sable en cisaillement statique non drainé (Δu) ¾ Comportement cyclique drainé ¾ Comportement cyclique non drainé» ¾ La courbe de résistance cyclique non drainée 36 Dense Sand andlosse sand Comportement en cisaillement statique drainé 37 Triaxial test on sand Etat caractéristique Etat critique (Luong 79) 38 Drained and undrained triaxial test on sands 39 Drained and undrained triaxial test on sands 40 Characterics line La ligne d’état caractéristique (« Phase transformation line ») délimite le comportement contractant du comportement dilatant 41 Dense sand : indrained triaxial test ( after Ishihara 93) 42 Liquéfaction statique du sable de Toyoura très lâche (Ishihara 93) 43 Liquéfaction sable d'Hostun Canou et al. RFG 98 44 Effect of density A: lâche B: dense C: mimi-dense Chemins de contraintes au triaxial cyclique non drainé pour trois échantillons à différentes densités (After www.ce.washington.edu) 45 Cyclic drained tests q =σ1-σ3 εv Alternances de phases contractantes et dilatantes du sable de Fontainebleau lors d’un cisaillement cyclique drainé (d’après Luong) 46 Simple shear test 47 Liquéfaction 48 Canou et al. RFG 98 Cyclic mobility 49 Canou et al. RFG 98 Laboratory testing Essais de laboratoire 50 Cisailllement cyclique non drainé (Projet Velacs,1992) 51 Undrained cyclic resistance • Cyclic Resistance Ratio (CRR) Liquefaction if - ru = Δu/σo’ = 100% - axial strain (5 ou 10%) 52 Example 53 Factors ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ Nature of soilsol Drainage Fine content Relative density ID Overconsolidation ratio Ko Ageing effect 54 Relative density 55 Effet de la surconsolidation: (a) OCR et Ko (b) 56 Different compaction procedures 57 Ageing effect (after Ishihara) 58 Conclusions ¾ Very good samples ¾ Very goog testing method ¾ Problem of compaction 59 Different types of analysis : a hyerarchy Analysis Constitutive model Method Assessment Semi-empirical Basic (rigid-plastic) Pseudo-static Charts Action vs. strength Simplified Dynamic Simplified (visco-elastic, elasto-plastic) Dynamic with simplified geometry Stress, strain, pore pressure Dynamic with complex geometry (sometimes including structure) Distributions of effective stress, pore pressure, strain, permanent displacements. Evaluation of the failure mechanism Advanced dynamic Advanced (elastic-plastic with hardening) D'après F. Silvestri Physical properties ¾ Analyse granulométrique ¾ Fine content ¾ Relative density( e, emin, emax, ID,) ¾ Atterberg limits ¾ Natural water content ¾ Structure ¾ First analysis 61 Granulometry (After Tsuchida) 62 Semi-empirical methods Laboratory tests very sensitive to experimental factors Æ not used in practice! ISSMGE-TC4 (1999) recommends simplified procedures based on field tests and observed behaviour during earthquakes Æ charts Classic empirical approach: Ö step 1: evaluation of seismic action (cyclic stress ratio, CSR) Ö step 2: correction & normalization of in-situ measurements (normalized strength, R1) Ö step 3: use of liquefaction charts cyclic resistance ratio, CRR = f(R1) liquefiable CSR ⇓ CSR > CRR ⇒ liquefiable soil CRR not liquefiable R1 D'après F. Silvestri Evaluation of seismic action The cyclic load is correlated to the maximum shear stress, τmax, induced by the earthquake motion at the depth of interest amax z z a (z) dz g 0 a(z) Shear stress = Inertia force τ = ∫ ρa (z)dz = ∫ γ 0 z τ Homogeneous soil, rigid column ⇒ a(z) = constant = amax ⇒ τ max,r = a max γz g a Deformable column ⇒ a(z) = variable ⇒ reduction coefficient rd (z) ⇒ τ max,d = rd max γz g Irregular load ⇒ equivalent uniform stress a τeq = βτ max = β ⋅ rd max σ v g D'après F. Silvestri Evaluation of seismic action Empirical relationship (Seed & Idriss, 1971): CSR = τ eq a σ = 0.65 max v 0 rd σ′v 0 g σ′v 0 stress reduction coefficient, rd 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Iwasaki et al. (1978) Liao & Whitman (1986) 5 Idriss & Boulanger (2004) Mw=5.5 10 depth, z (m) where it is assumed β=0.65 and amax= peak horizontal ground acceleration σv0 = lithostatic total stress σ´v0 = lithostatic effective stress rd = shear stress reduction factor at depth z (deformability effect) Blake (1996) Idriss & Boulanger (2004) Mw=6.5 Idriss & Boulanger (2004) Mw=7.5 15 20 25 30 Analytical expressions for rd(z): Iwasaki et al. (1978) ⇒ rd = 1 - 0.015⋅z (z in m) Liao e Whitman (1986) ⇒ rd = 1 - 0.00765 ⋅ z (z < 9.15 m); rd = 1.174 - 0.0267 ⋅ z (9.15 m < z < 23 m) ⎡⎛ ⎛ z ⎞⎞ ⎛ ⎛ z ⎞⎞ ⎤ Idriss & Boulanger (2004) ⇒ rd = exp ⎢⎜ −1.012 − 1.126sin ⎜ + 5.133 ⎟ ⎟ + ⎜ 0.106 + 0.118sin ⎜ + 5.142 ⎟ ⎟ M ⎥ ⎝ 11.73 ⎠⎠ ⎝ ⎝ 11.28 ⎠⎠ ⎦ ⎣⎝ D'après F. Silvestri Liquefection EC8 • No liquefaction ifα·S < 0,15 And simultaneously, • Clay fraction % > 20 %, and IP > or 10 • or silt % > 35 % and simultaneouslyet, N1 (60) > 20 · Clean sands with, with N 1(60) > 30. 66 Effect of fine content D’après Seed et al. (2003) 67 Coefficient rd Le coefficient rd tient compte de la déformabilité de la colonne de sol (τmax)deform = (τmax)rigid rd 68 Reduction factor rd Expression de rd (NCEER 1997) rd =(1-0,00765z) pour 0<z<9m rd = 1,174 – 0,0267 z pour 9,15< z< 23m 69 Etape 2: Estimation de la résistance cyclique (CRR): a) à partir des courbes de résistance cyclique ¾ On traduit la magnitude du séisme en un nombre de cycles uniformes équivalents (Neq = 15 for M= 7 ¼). ¾ On estime la résistance cyclique du sol (CRR = Cyclic Resistance ratio) à différentes profondeurs à partir des courbes de résistance cyclique ¾ On compare avec la contrainte cyclique induite par le séisme ( CSR = Cyclic Stress Ratio ) ¾ Facteur de sécurité FS = CRR/CSR 70 Number of cycle and Magnitude - M=7.5 Æ 15 cycles From Liu et al. (2001) 71 CRR curves τ/σ’v CRR Essais triaxiaux cycliques non drainés sur le sable d’Hostun Test on intact samples ! 72 Example Surface effects Groundwater level τ fine soil τ sand σ’v u = u0 + Δu σ’h u0 σ’v fine soil z bedrock τeq τlim a t Reference input motion Assessment: τeq > τlim In the potentially liquefiable layers D'après F. Silvestri Niigata 74 From in situ testing • Standart Penetration Test (SPT) • Cone Penetration Test (CPT) and Piézocone • Shear wave velocity 75 Standard Penetration Test (SPT) Test arrangement SplitSplit-barrel sample tube (after Sandven) SPT test equipment 76 Correction des valeurs de N ¾ NSPT : number for/30cm ¾ N1 normalized for a vertical stress : 100 kPa: = CN N ¾ CN = (pa/σ’v)0.5 ¾ Correction factor (N1)60 = N1 ER/60 ER = Energy Ratio N1 77 Correction of in situ measurements SPT Country Hammer type Hammer release Japan Donut Donut Tombi Rope and pulley with special throw release Rope and pulley Rope and pulley Rope and pulley Free-fall Rope and pulley Trip Rope and pulley U.S.A. Safety Donut Argentina Donut Cina Donut Donut U.K. Pilcon Old standard Estimated energy ratio ERm (%) 78 67 60 45 45 60 50 60 60 60% energy ratio correction ERm/ER 1.30 1.12 1.2 (average) 1.00 0.75 0.75 1.00 0.83 1.00 1.00 N 60 = Generalized correction suggested by NCEER (1997): to account for: Ö energy released Ö hole diameter Ö rod length Ö sampler type ERm Nm ER N 60 = C E C B C R C S N m (CE = 0.5 ÷ 1.3) (CB = 1.0 ÷ 1.15) (CR = 0.75 ÷ 1.0 and more) (CS = 1.0 ÷ 1.3) D'après F. Silvestri Standard liquefaction charts: SPT tests In the charts a curve separates the data points for which liquefaction has been observed from those where it did not occur. The ‘standard charts’ are referred to: - moment magnitude Mw=7.5 - clean sands, with fine content FC ≤ 5% 2 3 4 ⎡ (N ) ⎤ ⎛ (N ) ⎞ ⎛ (N ) ⎞ ⎛ (N ) ⎞ CRR ≅ exp ⎢ 1 60cs + ⎜ 1 60cs ⎟ − ⎜ 1 60cs ⎟ + ⎜ 1 60cs ⎟ − 2.8⎥ ⎝ 126 ⎠ ⎝ 23.6 ⎠ ⎝ 25.4 ⎠ ⎢⎣ 14.1 ⎥⎦ D'après F. Silvestri (Idriss & Boulanger, 2004) Standard liquefaction charts: SPT tests For moment magnitude Mw ≠ 7.5 CSR is reduced by a magnitude scaling factor, MSF (CSR ) M = 7.5 = The increase of strength with the fine fraction (FC) corresponds to a virtual increment of (N1)60cs CSR MSF 0,6 Rapporto di resistenza ciclica, CRS Fattore di scala per la magnitudo, MSF 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,5 0,4 0,3 Fc <= 5% Fc= 15% Fc=35% 0,2 0,1 0,2 0 0 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 0 5 Magnitudo di momento, M 15 20 25 30 35 40 45 Numero di colpi normalizzato, (N1)60 M ≤ 5.5 ⇒ MSF = 1.8 ⎛−M ⎞ M > 5.5 ⇒ MSF = 6.9 exp⎜ ⎟ − 0.058 ⎝ 4 ⎠ 10 ( N1 ) 60cs 2 ⎛ 9.7 ⎛ 15.7 ⎞ ⎞⎟ ⎜ ⎟ = (N1 )60 + exp 1.63 + −⎜ ⎜⎜ Fc ⎜⎝ Fc ⎟⎠ ⎟⎟ ⎝ ⎠ D'après F. Silvestri Evaluation du CRR à partir du SPT (Seed et al) Earthquake magnitude 7.5 Fines content < 5 % Fines content > 5 % Blow count, N(60) Blow count, N(60) Correlation between stress ratio τcy/σo’ causing liquefaction and modified blow count N(60) 81 Magnitude (Idriss 1999) Magnitude M 8 1/2 MSF 0.89 7 1/2 1 6 3/4 1.13 6 1.32 5 1/4 1.5 Boulanger (2004) (τ/σ’v)M #7,5 = MSF . (τ/σ’v)M =7,5 82 Effet de la Magnitude du séisme (EC8) Grosse différence entre l’EC8 et Idriss pour M=5,5 Boulanger (2004) (τ/σ’v)M #7,5 = CM . (τ/σ’v)M =7,5 83 Cone Penetration Test CPT or Piezocone CPT Test probes for onshore and offshore investigations (after Sandven) 84 Cone Penetration Test (CPT(U)) Cone resistance Friction Pore pressure (After Lunne et al) 85 Soil classification from CPT (After Robertson & Campanella) 86 Example : qc-RF 87 Identification chart QT-FR With QT = (qT - σvo)/σ’vo et FR = fs/(qT - σvo) 88 Liquefection chart M = 7.5 earthquakes (CSR) et qc1 89 (After Ishihara) (After Seed & de Alba) Standard liquefaction charts: CPT tests chart for clean sands and M=7.5 (Idriss & Boulanger, 2004) Fine content FC Æ soil behaviour index IC Soil behaviour index IC Æ correction factor Kc ⎡q ⎛q CRR = exp ⎢ c1N + ⎜ c1N ⎢⎣ 540 ⎝ 67 2 3 4 ⎤ ⎞ ⎛ qc1N ⎞ ⎛ qc1N ⎞ ⎟ −⎜ ⎟ +⎜ ⎟ − 3⎥ ⎠ ⎝ 80 ⎠ ⎝ 114 ⎠ ⎥⎦ Correction factor Kc for fine content FC expressed as a function of ‘soil behaviour index’ IC (qc1N ) cs = K c qc1N D'après F. Silvestri Robertson Method 91 Soil Index Ic 92 d source sismocone geophone fs Δu qc Sismocone Chart Vs 93 Relationship resitance to liquefaction - Vs 2 ⎛ 1 1 ⎞ ⎛V ⎞ CRR = 0.022 ⎜ S1 ⎟ + 2.8 ⎜ − ⎟ ⎝ 100 ⎠ ⎝ VS1c − VS1 VS1c ⎠ Advised for gravelly soils (penetration tests impossible) Suitable for soils with crushable grains (for which penetration tests underestimate strength) In weakly cemented soils, the liquefaction potential can result underestimated (cementation affecting stiffness th t th) 94 Normalization of in situ measurements To obtain the normalized strength R1, the field measurements (N60, qc , VS) shall be referred to a vertical effective stress equal to atmospheric pressure (pa = 98.1 kPa) Parameter Normalization factor Normalized value SPT CPT Geophysical tests N60 qc VS 1.7 CN = σ v′ 0 + 0.7 ⎛ p ⎞ C N =⎜⎜ a ⎟⎟ ⎝ σ v′ 0 ⎠ 0.5 ⎛ p ⎞ C q = ⎜⎜ a ⎟⎟ ⎝ σ v′ 0 ⎠ n = 0.5 ÷ 1.0 ( N1 )60 = CN N 60 n n ⎛ p ⎞ CV = ⎜⎜ a ⎟⎟ ⎝ σ v′ 0 ⎠ n = 0.25 ÷ 0.33 q c1 = C q q c V S1 = CVV S D'après F. Silvestri Comparison among standard liquefaction charts Comparative performance of various field tests (Youd & Idriss, 1997) Feature Number of test measurements at liquefaction sites Type of stress-strain behaviour influencing test Quality control and repeatability Detection of variability of soil deposits Soil types in which test is recommended Test provides sample of soil Test measures index or engineering property SPT Test Type CPT VS Abundant Abundant Limited Partially drained, large strain Drained, large strain Small strain Poor to good Very good Good Good Very good Fair Non-gravel Non-gravel All Yes No Index Index No Engineering property D'après F. Silvestri Approche de la liquéfaction EC 8 ¾ Evaluation du risque en champ libre, avec les conditions prévalant durant la vie de l’ouvrage (nappe !) ¾ Méthode de Seed-Idriss d’évaluation de la demande sismique ¾ Evaluation de la « capacité » (résistance) à partir d’essais (labo ou SPT, CPT,…) ¾ Si FS > 1.25, pas de mesures particulières ¾ Pas de nécessité de vérification si : αS< 0.15 ET ¾ % argile > 20% et IP > 10% ¾ % limon > 35% et N1 >20 ¾ Sable propre et N1 > 30 ¾ 97 Example : CPTU HMG (Jerram et al 2007) 98 Estimation de CRR et CSR à HMG 99 Ground improvement ¾ Ynamic compaction ¾ Vibrocompaction ¾ Jet grouting ¾ Stone columns In order - the density increase - the drainage increase 100 Type of improvement 101 Vibrocompaction (granulométry) 100 90 80 d 50 ≈ 0,15mm Cu ≈ 2 Passant (masse) (%) 70 d 50 ≈ 0,35mm 60 Cu≈ 4 50 C D 40 A B d 50 ≈ 2.5mm 30 Cu≈ 5 20 10 0 0,02 0,2 0,06 0,6 2,0 6,0 Taille des grains (mm) D : Colonnes ballastées C : Compactable B : Idéalement compactable A : Compactable - pénétration difficile 102 Dynamic compaction 103 Dynamic compaction 104 Osaka airport 520 ha gagnés sur la mer pour l’aéroport de Kensaï dans la Baie d’Osaka au Japon (1989 à 1992). 170 millions de m3 de remblais hydrauliques. Les remblais sableux, propices à la manifestation de liquéfaction sous séisme, ont été densifiés au moyen d’un atelier de compactage haute énergie (> 4 MJ/impact). Le tripode permettait de lever une masse de 40 t à 40 m, soit une énergie maximale de 16 MJ à chaque impact. 105 Stone columns 106 Jet grouting 107 Médiathèque de Strasbourg Etape 1: renforcement de sol par colonnes ballastées pour réduire le potentiel de liquéfaction Ouvrage fini Couches Remblai Profondeur (m) NSPT EM (MPa) Vs (MPa) 8 - 170 à 260 4 1,5 à 1,0 m Sables et graviers lâches 2,0 à 6,5 m Sable et Graviers 6 à 15 m 27 Hypothèses de sol 3 0 105 à 270 7 0 260 à 380 30 à Etape 2: Pieux tarière creuse sous fondations avec un dimensionnement optimisé qui tient compte d’un sol sans risque de liquéfaction 108 Traitement anti-liquéfaction : Caissons de Geomix Fort de France, Martinique - 2010 • 12 000 m² de tranchées de soil mixing, 500 mm d’épaisseur • Profondeur de 11m et 19m, Ancrage dans la tuffite • Réduction des tassements • Confinement + Grande inertie dans les deux directions • Reprise des efforts sismiques pendant toutes les phases du séisme y compris de l’écoulement post-liquéfaction 109 Deep Mixing 110 Conclusions ¾ Development of nex apparatus ¾ Coninuous measurement of parameters (qc, fs, Δu,…) ¾ Capacity to indentify fine layers ¾ Different methods to identify the liquefaction ¾ Different technique for improvement 111 Bibliographie ¾ Canou j., Benahmed N.,Dupla JC.,De Gennaro V., Instabilité de liquéfaction et phénomène d emobilité cyclique dans les sables, RFG n°98, 2002 ¾ Davidovici, 1985, Génie Parasismique, Edition du Moniteur ¾ Pecker, 1984 Dynamique des Sols Presses de l'ENPC ¾ ¾ Pecker, 2007 Advanced Earthquake Engineering Analysis ¾ Silvestri Cours MEEES, Springer UJF/Grenoble 2012 112 Thank for your attention 113
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