Dynamic response of partially saturated sands under foundations

Abstract

The liquefaction or softening of the foundation soils and the potential vulnerability of existing buildings on liquefiable soils continues to be of major concern to the public because it has repeatedly caused severe damages to buildings with shallow or heavy foundations during earthquakes, such as 1967 Niigata (Japan), 1999 Adapazari (Turkey), 2010 Maule (Chile) and the 2011 Christchurch (New Zealand) earthquakes. The liquefaction of soils leads to a decrease in the effective stress and a consequent degradation in the associated shear strength and stiffness. When the excess pore pressures are built up to initiate full liquefaction (near-zero effective stress state) beneath the foundations, significant deformations such as excessive settlements, tilting and shifting of overlying buildings can occur. An urgent need exists to develop costeffective liquefaction mitigation measures that can be easily and widely used for buildings founded on a liquefiable soil. In recent years, some researchers have been investigating liquefaction mitigation techniques, through series of laboratory tests that involve the artificial introduction of air/gas bubbles and creating partially saturated zones in the liquefiable soil deposits. These techniques intend to prevent the occurrence of liquefaction by increasing the compressibility of the pore fluid with the generation of some amount of air/gas in the fully saturated sand, thus basically, by transforming the sand into partially saturated state. Also, some physical model tests have been conducted to study the liquefaction behavior of partially saturated soils in free field and under foundations. The research, particularly investigating the response of shallow foundations rested on these soils, has suggested that the liquefaction potential of liquefiable soils and relevant building settlements significantly decrease by the reduction of degree of saturation. Although there are many studies in the literature for liquefaction response analysis of fully or partially saturated sands and building movements resting on these sands, performance-based earthquake engineering requires improved procedures to give a deep and more realistic insight into the field. This thesis includes the initial research tasks of a TÜBİTAK funded project (No: 213M367) titled ''Dynamic Response of Sands Mitigated by IPS (Induced Partial Saturation) under New and Existing Structures''. The primary goal of this thesis is numerically modelling of partially saturated sands in free field and under foundations and to determine how much partial saturation should be induced in liquefiable areas. It uses a novel technique to reduce degree of saturation of fully saturated sands that is called Induced Partial Saturation, IPS. This thesis also will indicate how accurate the RuPSS (a novel model to predict excess pore water pressure ratio in partially saturated sands) empirical model is in predicting the liquefaction response of remediated sites by IPS. In this due, the application of IPS technique in tackling the liquefaction damages in free field and under foundations will be examined and modelled in this thesis. The main goals of this thesis can be listed as below: 1) An exhaustive literature review was done to collect almost all of the studies that involve reduction in the degree of saturation and creation of partially saturated zones in the liquefiable soil deposits. 2) A hypothesis has been made in the proposal of the thesis regarding the excess pore pressure generation (during the shaking phase) and its dissipation (during the post shaking phase) along with the settlement of free field and foundations. Its accuracy will be evaluated in the thesis through the numerical models and validations with studies available in the literature. 3) Analysis of the behaviour of fully and partially saturated sands under cyclic loadings considering different soil parameters through numerical modelling and comparison of the numerical analysis results in FLAC3D software with the experimental data available in the literature. 4) Analysis of the behaviour of fully and partially saturated sands under earthquake records in free fields and under foundations considering different soil parameters through numerical modellings in FLAC3D software. 5) There is a key parameter required in numerically modelling the partially saturated sands that is called air-water mixture bulk modulus, Kaw. According to the literature review, there is a well known equation for predicting Kaw. It will be shown that this equation equation is not very accurate in predicting a proper value for Kaw for soils with degrees of saturation below 80% or for partially saturated sands mitigated by IPS against liquefaction. Proposing an alternative empirical function to predict Kaw of partially saturated sands for using in numerical modellings will be the fourth task. The proposed function will be examined through comparison of numerical analysis results with those obtained from experimental test results in the literature. 6) A parametric study on the liquefaction analysis of fully and partially saturated sands in free field and under foundations in PLAXIS2D software. Results were presented in terms of excess pore pressure generations and dissipations and also the settlement responses both in free field and under foundations. 7) Finally, according to the obtained results and comprehensive literature review performed in this thesis, it is was concluded that there are some gaps in the field of partial saturation application in both experimental and numerical studies. Those gaps were listed and discussed in detail to pave the way of finding topics of research for the future studies. The researchers and engineers will benefit by using the outcomes and proposed models of this thesis in their research or in real case projects to analyze the dynamic response of partially saturated sands naturally existing in nature. Also, the mathematical predictive models that will be developed in this thesis will not only be used in the implementation of IPS, but also in the estimation of liquefaction responses in partially saturated sands existing under buildings. Besides contributions in science and engineering, the ultimate goal of this thesis is to help the safety of our society. The best outcome of this thesis will be to provide opportunities for the IPS technique to be implemented in liquefiable areas selected in Turkey and determination of partial saturation needed to improve the liquefiable zones.

Temel altında zeminlerin sıvılaşması veya yumuşaması ve mevcut binaların sıvılaşabilir topraklar üzerindeki hasar görme ihtimali, halk için büyük endişe kaynağı olmaya devam ediyor çünkü 1967 Niigata (Japonya), 1999 Adapazarı (Türkiye), 2010 Maule (Şili) ve 2011 Christchurch (Yeni Zelanda) gibi depremler, sığ veya ağır temelli binalarda defalarca ciddi hasarlara neden oldu. Kohezyonsuz zeminlerin tekrarlı yükler altında davranışları, oluşabilecek deformasyonlar ve boşluk suyu basıncı artışları düşünüldüğünde çok büyük önem taşımaktadır. Tekrarlı yükün etkisiyle, doygun kohezyonsuz zeminlerde boşluk suyu basıncında oluşan artış ve deprem süresinin kısa olması sebebiyle drenaj koşullarının sağlanamaması ile efektif gerilmenin azalarak sıfıra düşmesi sonucunda meydana gelen sıvılaşma, taşıma gücü kayıpları ve buna bağlı olarak oluşan oturma olayları kohezyonsuz zeminlerin deprem (veya her hangi bir tekrarlı yük) etkisi altında kaldıklarında karşılaştıkları en büyük sorunlardandır. Zeminlerin sıvılaşması, efektif gerilmede azalmaya ve dolaysıyla kayma mukavemeti ve rijitliğin bozulmasına yol açar. Temellerin altındaki zeminlerde aşırı boşluk suyu basınçının artışı nedeniyle, sıvılaşma (sıfıra yakın efektif gerilme durumu) başlıyor. Neticede, üstteki binaların eğilmesi ve aşırı oturmaları gibi önemli deformasyonlar meydana gelebilir. Sıvılaşan bir zemin üzerine mevcut binalar için kolayca ve yaygın olarak kullanılabilen, uygun maliyetli sıvılaşma önlemlerinin geliştirilmesine acil bir ihtiyaç vardır. Son yıllarda, bazı araştırmacılar, laboratuar test yoluyla, sıvılaşan zemin tabakalarında hava/gaz kabarcıkları üreterek bu zeminleri kısmi doygun haline dönüştürüp ve bunu bir sıvılaşmayı önleme tekniği olarak incelemektedirler. Bu tekniğin amacı, tam doygun kumda bir miktar hava/gaz üreterek boşluk suyunun sıkışabilirliğini artırmak, dolayısıyla temel altındaki kumun kısmi doygun duruma dönüştürülmesiyle sıvılaşmanın meydana gelmesini önlemektir. Ayrıca, kısmi doygun kumların serbest sahada ve temeller altında sıvılaşma davranışını incelemek için bazı fiziksel model testleri yapılmıştır. Özellikle bu zeminlerin üzerinde inşa edilen sığ temellerin tepkisini inceleyen araştırmalar, sıvılaşan zeminlerin ve mevcut binaların oturmalarını doygunluk derecesinin azalmasıyla önemli ölçüde azaldığını ortaya koymuştur. Literatürde, tam veya kısmi doygun kumların sıvılaşma davranış analizi ve bu kumların üzerinde mevcut bina hareketleri için birçok çalışma bulunmasına rağmen, performansa dayalı deprem mühendisliği, derin ve gerçekçi bir bakış açısı kazandırmak için gelişmiş prosedürler gerektirir. Bu tez, TÜBİTAK tarafından desteklenen (No: 213M367) ''Yeni ve Mevcut Yapılar Altında IPS (İndüklenmiş Kısmi Doygunluk) ile Azaltılmış Kumların Dinamik Tepkisi'' başlıklı projenin araştırmalarını içermektedir. Bu tezin temel amacı, serbest sahada ve temeller altında kısmi doygun kumların sayısal olarak modellenmesi ve sıvılaşan alanlarda ne kadar kısmi doygunluğun oluşmasının gerektiğini belirlemektir. Bu tezde, tam doygun kumların doygunluk derecesini azaltmak için Kısmi Doyguna İndirgeme, IPS adı verilen yeni bir teknik kullanılmıştır. Bu tez aynı zamanda IPS ile iyileştirilmiş sahaların sıvılaşma tepkisini tahmin etmede, RuPSS modelinin (kısmi doygun kumlarda aşırı boşluk suyu basınç oranını tahmin etmek için yeni bir model) ne kadar etkili olduğunu gösterecektir. Bu nedenle, serbest sahada ve temel altında sıvılaşma hasarlarının giderilmesinde IPS tekniğinin uygulanması bu tezde incelenecek ve modellenecektir. Bu tezin ana hedefleri şu şekilde sıralanabilir: 1) Sıvılaşan zeminlerde doygunluk derecesinde azalma ve kısmi doygun bölgelerin yaratılmasını içeren hemen hemen tüm çalışmaları toplamak için kapsamlı bir literatür taraması yapılacaktır. 2) Tez önerisinde, serbest saha ve temellerin oturması ile birlikte aşırı boşluk suyu basıncı oluşumu (sarsma aşamasında) ve sönümlenmesi (sarsma sonrası aşamasında) ile ilgili bir hipotez kurulmuştur. Bu tezin sayısal modeller sonuçlarıyla literatürde mevcut olan çalışmaların sonuçlarını karşılaştırarak hipotezin doğru olup olmadığı değerlendirilecektir. 3) Tam ve kısmi doygun kumların döngüsel yüklemeler altında davranışının farklı zemin parametreleri dikkate alınarak sayısal modelleme yoluyla analizi ve FLAC3D yazılımındaki sayısal analiz sonuçlarının literatürdeki deneysel verilerle karşılaştırılması. 4) Tam ve kısmi doygun kumların deprem kayıtlarında serbest sahalarda ve temeller altında davranışının FLAC3D yazılımında sayısal modellemeler ile farklı zemin parametreleri dikkate alınarak analizi. 5) Kısmi doygun kumların sayısal olarak modellenmesinde gerekli olan, hava-su karışımı sıkışabilirliği modülü, Kaw olarak adlandırılan anahtar bir parametre vardır. Literatür taramasına göre, Kaw'ı tahmin etmek için bilinen bir denklem vardır. Bu denklem doygunluk dereceleri %80'in altında olan zeminler için veya sıvılaşmaya karşı IPS ile iyileştirilmiş kumlar için uygun bir değer öngörmede çok doğru olmadığı gösterilecektir. Sayısal modellemelerde kullanılmak üzere kısmi doygun kumların Kaw'ı tahmin etmek için alternatif bir deneye dayalı fonksiyon önermek dördüncü amaç olacaktır. Literatürdeki deneysel test sonuçlarından elde edilenlerle sayısal analiz sonuçları karşılaştırılarak önerilen fonksiyon incelenecektir. 6) Tam ve kısmi doygun kumların serbest sahada ve temeller altında sıvılaşma analizi parametrik bir çalışma olarak PLAXIS2D yazılımında yapılacaktır. Sonuçlar, aşırı boşluk basıncı oluşumları ve yayılımları ile hem serbest sahada hem de temel altında oturma tepkileri açısından sunulmuştur. 7) Son olarak, elde edilen sonuçlara ve bu tezde yapılan kapsamlı literatür taramasına göre, hem deneysel hem de sayısal çalışmalarda sıvılaşmanı engellemk adına kısmi doygunluk uygulaması alanında bazı boşlukların olduğu sonucuna varılmıştır. Bu boşluklar detaylı bir şekilde listelenmiş ve ileride yapılacak çalışmalara araştırma konusu bulunmasına yol açabilecek şekilde tartışılmıştır. Araştırmacılar ve mühendisler, doğada doğal olarak bulunan kısmi doygun kumların dinamik tepkisini analiz etmek için araştırmalarında veya gerçek durum projelerinde bu tezin çıktılarını ve önerilen modellerini kullanarak fayda sağlayacaklardır. Ayrıca bu tezde geliştirilecek matematiksel modeller sadece IPS'nin uygulanmasında değil, aynı zamanda bina altında bulunan kısmi doygun kumlarda sıvılaşma tepkilerinin tahmininde de kullanılacaktır. Bilim ve mühendisliğe katkıların yanı sıra, bu tezin nihai amacı toplumumuzun güvenliğine yardımcı olmaktır. Bu tezin en iyi sonucu, IPS tekniğinin Türkiye'de sıvılaşan alanlarda uygulanmasına imkan sağlamak ve sıvılaşabilen bölgelerin iyileştirilmesi için gereken doygunluk derecesinin düşürülmesinin belirlenmesi olacaktır.