Resumen de Influence of seismic porewater pressure increase and liquefaction on site response analysis
- español
Analisis de respuesta sısmica de sitio es una tecnica utilizada para predecir la respuesta del suelo a las condiciones locales del terreno. Los avances recientes en la comprension de la generacion de excesos de presion de poros inducida por corte han llevado al desarrollo e implementacion de modelos de respuesta de presion de poros en el analisis de respuesta del sitio que tienen en cuenta el esfuerzo efectivo. Esta investigacion se centra en el desarrollo de enfoques recientes para calcular el analisis de respuesta del sitio utilizando el metodo no lineal de esfuerzo efectivo.
La investigacion examina especıficamente el impacto de la acumulacion de presion de poros (PWP), la perdida de resistencia del suelo, la posible licuefaccion y los efectos postlicuefaccion en la respuesta del sitio. El estudio se divide en dos etapas: (1) Se prueba el desempeño de un modelo de generacion de presion de poros acoplado con modelos constitutivos para calcular la respuesta esfuerzo-deformacion durante el sismo utilizando esfuerzos efectivos, y para resolver problemas din´amicos de respuesta del sitio. (2) Se realiza un estudio parametrico utilizando elementos 2D para determinar las variables principales que afectan el analisis de respuesta del sitio.
En la primera etapa, el estudio eval´ua el desempeño de modelos constitutivos no lineales de esfuerzo efectivo, comunmente conocidos como modelos constitutivos avanzados, utilizados en el analisis de respuesta del sitio unidimensional (1D) para evaluar el comportamiento esfuerzo-deformacion, la generacion de presion de poros y el potencial de licuefaccion en depositos de suelo blando a nivel de elemento. Tres modelos constitutivos se combinan con el modelo de generacion de presion de poros para desarrollar modelos acoplados llamados PDMY 02, PM4SAND y PDMY 03. El estudio tambien propone protocolos para seleccionar los parametros de entrada del modelo.
Esta etapa del estudio proporciona contribuciones valiosas al campo del analisis de respuesta del sitio. Evalua tres modelos constitutivos acoplados (PDMY 02, PM4SAND y PDMY 03) utilizando una base de datos integral de 40 pruebas cıclicas de esfuerzo controlado. Los hallazgos demuestran que estos modelos pronostican con precision el comportamiento esfuerzo deformacion y la respuesta de presion de poros (PWP) en una amplia gama de densidades relativas, con residuos y sesgos mınimos. Los modelos mejorados muestran la capacidad de simular la dilatacia en valores altos de exceso de presion de poros (ru) (mayor que 0.75), haciendolos adecuados para simulaciones de ingenierıa y permitiendo la prediccion precisa de picos de dilatancia durante pruebas centrıfugas con historias de aceleracion del tiempo. Esta investigacion confirma la viabilidad de utilizar estos modelos constitutivos avanzados para el analisis de respuesta del sitio en la practica ingenieril.
Los modelos constitutivos acoplados (PDMY 02, PM4SAND y PDMY 03) muestran una excelente representacion de la produccion de presion de poros y el comportamiento esfuerzo deformacion durante la validacion, especialmente cuando en la licuefaccion inicial se alcanza que el exceso de presion de poros es igual al esfuerzo efectivo vertical. Los residuos pequeños en las comparaciones de presion de poros y esfuerzo-deformacion, junto con un sesgo mınimo en diferentes niveles de densidad relativa, validan aun mas la precision y confiabilidad de estos modelos. En general, este estudio contribuye a la mejora de las metodologıas de diseño y analisis sısmico al demostrar la efectividad de estos modelos para pronosticar con precision el comportamiento del suelo durante eventos sısmicos. Estos hallazgos mejoran nuestra comprension de los peligros inducidos por terremotos en la ingenierıa geotecnica, facilitando mejores estrategias de mitigacion y asegurando un diseño de infraestructura mas segura.
En la segunda etapa, los modelos constitutivos no lineales de esfuerzo efectivo avanzados son comunmente utilizados en el analisis de respuesta del sitio unidimensional para evaluar la generacion de presion de poros y el potencial de licuefaccion en depositos de suelo blando.
El estudio se centra en evaluar el desempeño de un modelo constitutivo acoplado de esfuerzo efectivo, utilizando un total de 44 movimientos de entrada para realizar un estudio parametrico con un perfil de suelo sintetico. El estudio explora cuatro casos diferentes donde se puede observar licuefaccion y no licuefaccion. Los resultados indican que los modelos acoplados predicen de manera precisa el desencadenamiento de la licuefaccion, mostrando una buena concordancia con una base de datos bien establecida de relaciones empıricas de desencadenamiento de licuefaccion. Ademas, el estudio identifica varias debilidades en la evaluacion de la licuefaccion utilizando el metodo de esfuerzo cıclico, que es el metodo mas ampliamente utilizado en este contexto.
Esta etapa del estudio realiza contribuciones significativas a la evaluacion del desencadenamiento de la licuefaccion en terreno horizontales quiere decir sin pendiente por ser de mas facil analisis utilizando verdaderos modelos constitutivos acoplados. La investigacion tiene como objetivo validar los criterios utilizados para evaluar la ocurrencia de la licuefaccion en terreno nivelado y verificar la confiabilidad de las aproximaciones numericas, especıficamente los modelos PDMY 03 y DM, en capturar caracterısticas clave de la licuefaccion observadas en pruebas de campo y laboratorio.
Se llevo a cabo un estudio parametrico exhaustivo que involucra 44 movimientos de entrada al suelo y 16 perfiles sinteticos de arena. El analisis se centro en evaluar la respuesta de esfuerzo efectivo y aplicar criterios de desencadenamiento establecidos. Los resultados de 2,816 calculos demostraron consistentemente una resistencia a la licuefaccion que se alinea con las curvas de resistencia a la licuefaccion establecidas en la literatura.
El estudio destaca la efectividad de los modelos PDMY 03 y DM para evaluar el analisis de respuesta de esfuerzo efectivo cuando se generan presiones de poro en exceso significativas. El modelo PDMY 03, en particular, considera los efectos post-licuefaccion, que tienen un impacto notable en los resultados del analisis de respuesta del sitio.
Los hallazgos de la investigacion revelan que las variaciones en la rigidez al corte tienen la influencia mas pronunciada en la respuesta del sitio dentro de los modelos de esfuerzo efectivo. Se observo que relaciones moderadas a altas de exceso de presion de poros, sin alcanzar la licuefaccion, tienen efectos insignificantes en los espectros de respuesta debido a la degradacion insuficiente del modulo. Factores como el drenaje, el comportamiento dependiente del tiempo y la licuefaccion retardada contribuyen a cambios mınimos en los espectros de respuesta.
Las disparidades entre los espectros de respuesta predichos por los modelos PDMY 03 y DM se atribuyeron a diferencias en el modulo de corte, con diferencias notables que surgen cuando la licuefaccion ocurre temprano durante el sismo intenso. Los modelos constitutivos 3D incorporados en el modelo PDMY 03 brindan una comprension mas completa del comportamiento del suelo, capturando efectos multidireccionales. En contraste, la representacion simplificada del comportamiento del suelo del modelo DM descuida algunos mecanismos intrincados.
El estudio enfatiza la importancia de la consideracion y calibracion cuidadosas de los parametros de caracterizacion del suelo, la entrada del movimiento del suelo y las incertidumbres inherentes para garantizar un analisis preciso de la respuesta del sitio. La investigacion tambien identifica limitaciones asociadas con el metodo de esfuerzo cıclico para evaluar el desencadenamiento de la licuefaccion.
Se encontro que las variaciones en el nivel freatico y las profundidades de la roca madre tienen una influencia mınima en la respuesta predicha. A pesar de las complejidades involucradas en el analisis de esfuerzo efectivo acoplado real, los avances en la tecnologıa informatica han hecho que los calculos sean mas eficientes en comparacion con otros enfoques.
El estudio tambien indica que las variaciones en la rigidez al corte, representadas por el cambio en la velocidad de onda de corte (Vs1), tienen el impacto mas significativo en la respuesta del sitio. Ademas, encuentra que las diferencias significativas en los analisis de esfuerzo total no lineal (NL) y esfuerzo efectivo no lineal (NL) solo ocurren cuando se desencadena o casi se desencadena la licuefaccion (es decir, relaciones de exceso de presion de poros cercanas a la unidad). Ademas, las diferencias entre los analisis de esfuerzo total no lineal (NL) y esfuerzo efectivo no lineal (NL) disminuyen cuando la licuefaccion ocurre cerca del final de un movimiento fuerte. Por ultimo, la respuesta del suelo esta dominada por las rigideces mas altas disponibles antes de la licuefacci´an. En general, la investigaci´on muestra la legitimidad del uso de modelos constitutivos acoplados de esfuerzo efectivo para evaluar el desencadenamiento de la licuefaccion en terreno horizontales y la validez de las aproximaciones numericas (PDMY 03 y DM) ya que capturan las caracterısticas principales de la licuefaccion estudiada en pruebas de campo y laboratorio.
En resumen, esta investigacion aporta conocimientos valiosos a la evaluacion del desencadenamiento de la licuefaccion en terreno nivelado utilizando verdaderos modelos constitutivos acoplados. Proporciona una mejor comprension del comportamiento del suelo durante eventos sısmicos y destaca la necesidad de una seleccion precisa y calibracion de parametros para mejorar el analisis de respuesta del sitio y la prediccion de los espectros de respuesta.
- English
Seismic site response analysis is a technique used to predict the ground’s response to local soil conditions. Recent advancements in understanding the generation of shear-induced excess pore pressure have led to the development and implementation of pore pressure response models in site response analysis that take effective stress into consideration. This research focuses on developing recent approaches to calculate site response analysis using the nonlinear effective stress method.
The research specifically examines the impact of Porewater Pressure (PWP) buildup, soil softening, potential liquefaction, and post-liquefaction effects on site response. The study is divided into two stages: (1) The performance of a Porewater pressure generation model coupled with constitutive models is tested to compute stress-strain response during shaking using effective stresses, and to solve dynamic site response problems. (2) A parametric study using 2D elements is conducted to determine the principal variables that affect site response analysis.
In the first stage, the study evaluates the performance of nonlinear effective stress constitutive models, commonly known as advanced constitutive models, used in one-dimensional (1D) site response analysis for assessing stress-strain behavior, porewater generation, and liquefaction potential in soft soil deposits at the element level. Three constitutive models are combined with the porewater pressure generation model to develop coupled models called PDMY 02, PM4SAND, and PDMY 03. The study also proposes protocols for selecting model input parameters.
This stage of the study provides valuable contributions to the field of site response analysis. It evaluates three coupled constitutive models (PDMY 02, PM4SAND, and PDMY 03) using a comprehensive database of 40 stress-controlled cyclic tests. The findings demonstrate that these models accurately predict stress-strain behavior and pore-water pressure (PWP) response across a wide range of relative densities, with minimal residuals and bias. The improved models exhibit the capability to simulate dilation at high excess PWP (ru) values (greater than 0.75), making them suitable for engineering simulations and enabling precise prediction of dilation spikes during centrifuge tests with accelerated time histories. This research confirms the viability of using these advanced constitutive models for site response analysis in engineering practice.
The coupled constitutive models (PDMY 02, PM4SAND, and PDMY 03) show excellent representation of PWP production and stress-strain behavior during validation, particularly when initial liquefaction reaches a value of excess of pore water pressure equal to the vertical effective stress. The small residuals in PWP and stress-strain comparisons, along with minimal bias across different relative density levels, further validate the accuracy and reliability of these models. Overall, this study contributes to the improvement of seismic design and analysis methodologies by demonstrating the effectiveness of these models in accurately predicting soil behavior during seismic events. These findings enhance our understanding of earthquake-induced hazards in geotechnical engineering, facilitating better mitigation strategies and ensuring safer infrastructure design.
In the second stage, advanced nonlinear effective stress constitutive models are commonly employed in one-dimensional site response analysis to assess porewater pressure generation and liquefaction potential in soft soil deposits. The focus of the study is on evaluating the performance of a coupled effective stress constitutive model, utilizing a total of 44 input motions to conduct a parametric study with a synthetic soil profile. The study explores four different cases where liquefaction and non-liquefaction can be observed. The findings indicate that the coupled models accurately predict the triggering of liquefaction, showing good agreement with a well-established empirical liquefaction triggering relations database. Additionally, the study identifies several weaknesses in evaluating liquefaction using the cyclic stress method, which is the most widely used method in this context.
This stage of the study makes significant contributions to the evaluation of level-ground liquefaction triggering using true coupled constitutive models. The research aims to validate the criteria used to assess the occurrence of level-ground liquefaction and verify the reliability of numerical approximations, specifically the PDMY 03 and DM models, in capturing key liquefaction characteristics observed in field and laboratory tests.
A comprehensive parametric study involving 44 ground input motions and 16 synthetic sand profiles was conducted. The analysis focused on evaluating effective stress response and applying established triggering criteria. The results of 2,816 computations consistently demonstrated liquefaction resistance that aligns with established liquefaction resistance curves from the literature.
The study highlights the effectiveness of the PDMY 03 and DM models in assessing effective stress site response analysis when significant excess porewater pressures are generated. The PDMY 03 model, in particular, considers post-liquefaction effects, which have a noticeable impact on the results of site response analysis.
The research findings reveal that variations in shear stiffness have the most pronounced influence on site response within the effective stress models. Moderate to high ratios of excess porewater pressure, without reaching liquefaction, were observed to have negligible effects on response spectra due to insufficient degradation of modulus. Factors such as drainage, time-dependent behavior, and delayed liquefaction contribute to minimal changes in response spectra.
Disparities between the response spectra predicted by the PDMY 03 and DM models were attributed to differences in shear modulus, with notable differences emerging when liquefaction occurred early during intense shaking. The 3D constitutive models incorporated in the PDMY 03 model provide a more comprehensive understanding of soil behavior, capturing multidirectional effects. In contrast, the simplified soil behavior representation of the DM model neglects some intricate mechanisms.
The study emphasizes the importance of careful consideration and calibration of soil characterization parameters, input ground motion, and inherent uncertainties to ensure accurate site response analysis. The research also identifies limitations associated with the cyclic stress method for evaluating liquefaction triggering.
Variations in groundwater table and bedrock depths were found to have minimal influence on the predicted response. Despite the complexities involved in true coupled effective stress analysis, advancements in computer technology have made calculations more efficient compared to other approaches.
The study also indicates that variations in shear stiffness, represented by the change in shear wave velocity (Vs1), have the most significant impact on site response. It further finds that significant differences in nonlinear (NL) total stress and NL effective stress response spectra occur only when liquefaction is triggered or nearly triggered (i.e., excess PWP ratios near unity). Additionally, differences between NL total stress and NL effective stress analyses decrease when liquefaction occurs near the end of strong shaking. Lastly, the soil response is dominated by the higher stiffnesses available prior to liquefaction. Overall, the research shows the legitimacy of using coupled effective-stress constitutive models to evaluate triggering of level-ground liquefaction and the validity of using numerical approximations (PDMY 03 and DM models) as they capture the principal characteristics of liquefaction studied in field and laboratory tests.
In summary, this research contributes valuable insights into the evaluation of level-ground liquefaction triggering using true coupled constitutive models. It provides a better understanding of soil behavior during seismic events and emphasizes the need for accurate parameter selection and calibration to improve site response analysis and prediction of response spectra. (Texto tomado de la fuente)
