Characterization of liquefaction parameters for saturated soil under dynamic loading using laboratory tests and calibration of constitutive laws by numerical modelling
Caractérisation de paramètres mécaniques d’un sol saturé à partir d’essais de laboratoire et calibration de lois de comportement sous charge dynamique par modélisation numérique
Résumé
Liquefaction is one of the most devastating instabilities in saturated granular materials and is the major cause of damage to the ground and earth structures during earthquakes. Field observations of liquefaction case histories triggered by strong earthquakes evidence the development of large deformations and strength loss due to the pore water pressure build-up for a broad range of saturated soils. Earlier experimental attempts to study the liquefaction phenomenon of soils date back to the 1960’s, nevertheless, soil liquefaction is still one of the most difficult phenomenon to assess, as it is strongly affected by different factors, such as relative density, confining pressure, fine content, overconsolidation, stress or strain amplitude and loading path. Hence, predicting the occurrence of liquefaction of soils is a critical aspect of geotechnical earthquake engineering practice.The goal of this research is to identify factors affecting liquefaction resistance of silty-sands and investigate their influence on liquefaction susceptibility. To this purpose, in the first part of the work, the behavior of loose, medium and dense silty-sands is analyzed through experimental tests, including monotonic and cyclic consolidated undrained triaxial tests, as well as resonant column tests, using different fine contents and confining pressures. The results show that the behavior of mixtures strongly depends on the packing configuration of coarse and fine particles. The experimental results are analyzed in terms of equivalent intergranular void ratio, which is identified in the literature as an adequate state parameter to characterize the global effect of fine particles. However, the estimation of the equivalent intergranular void ratio requires the determination of the active fine fraction b participating in the force transfer. An original formula is proposed for the b parameter based on packing configuration, thereby allowing a satisfactory prediction of liquefaction triggering in sand-fines mixtures independently from the fine content.In the second part, the set of laboratory test results are used to calibrate the 3D Iwan-Iai constitutive model for saturated sands, whose main advantage is its small number of geotechnical parameters commonly measured. A parametric study is performed to investigate the effects of the aforementioned factors known to affect liquefaction susceptibility and resistance of silty-sands. The correlation of liquefaction parameters with the relative density, fine content and confining pressure is proposed.In the last part of this work, the model parameters obtained by numerical calibration are used in a finite element model, simulating the vertical wave propagation in layered soil profiles, in order to investigate the influence of liquefaction parameters on the seismic response. Then, a dataset of 300 one-dimensional soil profiles are generated through a Monte Carlo method to investigate the reliability and the limit of using the average shear wave velocity in the upper 30 m of the soil profile, as single proxy, to characterize seismic site effects for weak and strong events. Correlations between site-specific amplification factors deduced using the numerical response spectra and other proposed site proxies are analyzed for period ranges and compared to those proposed by different international and national design codes. The results, obtained under assumption of linear and nonlinear behavior of soil, emphasize the need to introduce complementary site parameters proxies to characterize the expected site effects in design response spectra
Le phénomène de liquéfaction est l'une des instabilités les plus dévastatrices des massifs sableux saturés et constitue la principale cause de dégâts au sol et aux structures lors des tremblements de terre. Les observations sur le terrain des cas historiques de rupture par liquéfaction déclenchés par de forts tremblements de terre montrent le développement de grandes déformations et la perte de résistance due à l'augmentation de la pression de l'eau interstitielle pour une large gamme de sols saturés. Les premières travaux qui ont permis de mettre en évidence le phénomène de liquéfaction au laboratoire remontent aux années 1960, mais la liquéfaction des sols reste néanmoins l'un des phénomènes les plus difficiles à évaluer, car elle est fortement influencée par différents facteurs, tels que la densité relative, la pression de confinement, la teneur en fines, l'amplitude des contraintes ou des déformations et le chemin de chargement. Par conséquent, la prévision de l'occurrence de la liquéfaction des sols est un aspect essentiel de l'ingénierie géotechnique parasismique. L'objectif de cette thèse est d'identifier les facteurs affectant la résistance à la liquéfaction des sables silteux et d'étudier leur influence sur la susceptibilité à la liquéfaction. À cette fin, dans la première partie du travail, le comportement des sables limoneux lâches, moyens et denses est analysé par des essais au laboratoire, qui comprennent des essais triaxiaux non drainés monotones et cycliques, ainsi que des essais à la colonne résonante, en utilisant différents teneur en fines et pressions de confinement. Les résultats montrent que le comportement des mélanges dépend fortement des caractéristiques des particules grossières et fines. Les résultats expérimentaux sont analysés en termes d'indice des vides intergranulaire équivalent, qui est identifié dans la littérature comme un paramètre d'état adéquat pour caractériser l'effet global des particules fines. Cependant, l'estimation de l'indice des vides intergranulaire équivalent nécessite la détermination de la fraction fine active b participant au transfert de force. Une formule originale est proposée pour le paramètre b, basée sur l'arrangement des particules, permettant ainsi une prédiction satisfaisante du déclenchement de la liquéfaction dans les mélanges sable-fines indépendamment de la teneur en fines.Dans la deuxième partie, l'ensemble des résultats des essais de laboratoire est utilisé pour calibrer le modèle constitutif 3D d'Iwan-Iai pour les sables saturés, dont le principal avantage est le nombre limité de paramètres géotechniques couramment mesurés. Une étude paramétrique est réalisée pour étudier les effets des différents facteurs sur la résistance à la liquéfaction des sables limoneux. La corrélation des paramètres de liquéfaction avec la densité relative, la teneur en fines et la pression de confinement est proposée. Dans la dernière partie de ce travail, les paramètres du modèle obtenus par calibration numérique sont utilisés dans un modèle éléments finis simulant la propagation verticale des ondes dans des profils de sol stratifiés afin d'étudier l'influence de ces paramètres dans la réponse sismique. Ensuite, une base de données de 300 profils de sol est générée par la méthode de Monte Carlo afin d'étudier la fiabilité et la limite de l'utilisation de la vitesse moyenne des ondes de cisaillement dans les 30 m supérieurs du profil de sol, en tant que paramètre unique, pour caractériser les effets de site. Des corrélations entre les facteurs d'amplification et les paramètres de site sont analysées pour différentes gammes de périodes et comparées à celles proposées par différents codes de conception internationaux et nationaux. Les résultats, obtenus dans l'hypothèse de comportement linéaire et non linéaire du sol, soulignent la nécessité d'introduire des paramètres de site complémentaires pour mieux caractériser les effets de site dans les spectres de réponse de conception
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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