Ανάλυση της σεισμικής απόκρισης ρευστοποιήσιμων εδαφών με υπολογιστικές μεθόδους

Abstract

Earthquake-induced liquefaction is one of the most hazardous phenomena in Geotechnical Earthquake Engineering. This is the reason why existing Seismic Codes exclude liquefiable sites from the regular site categories and essentially prohibit any construction with surface foundation, unless the liquefaction hazard is completely mitigated via ground improvement. In parallel, the current international design practice is in favor of pile foundations, which transfer the structure loads to deeper non-liquefiable strata, combined with ground improvement over the entire liquefaction depth aimed to minimize the lateral loads applied to the piles upon soil liquefaction.Due to the above, the free-field response is of minor interest and, consequently, this issue is probably the least considered and studied by the research community today. However, this practice has been challenged in recent years by numerous experimental and theoretical studies regarding the seismic response of shallow foundations on liquefiable soils, which revealed that the existence of a shear resistant non-liquefiable crust on top of the liquefied soil layers may moderate liquefaction effects and thus satisfy performance criteria for shallow foundations. In view of these new developments, the free-field liquefiable ground response attracts renewed interest, as it constitutes basic input for the seismic design of the superstructure and its foundation.This Doctoral Thesis aims to contribute to the engineering design practice by studying the free-field liquefiable ground response thoroughly and by developing comprehensive methodologies for a consistent estimation of the pertinent seismic actions (i.e. peak ground acceleration and elastic response spectrum on the ground surface), which constitute basic input for the seismic design of infrastructures. Special emphasis is given on the development of simple criteria and computational methods for use, by experienced but not necessarily expert design engineers. In addition, this Thesis examines the conditions required so that liquefied soil layers will effectively attenuate the seismic ground motion, i.e. provide “natural seismic isolation” of the applied seismic actions, as well as the conditions which may lead to opposite results, i.e. amplification of the seismic ground motion.In particular, focus is placed on the following topics: (i) To establish and validate a reliable numerical methodology that would allow the accurate prediction of the free-field seismic response on liquefiable ground, using nonlinear, fully-coupled, dynamic, effective stress numerical analyses. This methodology may be used either for case specific analysis and design of structures and foundations or for parametric investigation of the mechanisms and the parameters which affect the liquefiable ground response (as in this Thesis). (ii) To develop simplified methodologies for the credible prediction of the free-field seismic ground response (peak seismic ground response parameters and elastic response spectra) of liquefiable sites, utilizing tools that are commonly used by design engineers in practice for non-liquefiable soils (e.g. equivalent linear, SHAKE-type analyses). These methodologies should also allow their possible incorporation in the framework of existing Seismic Codes. (iii) To provide simple criteria for the a-priori evaluation of the amplification or the attenuation potential of a given liquefiable soil profile, based on readily available soil properties and seismic excitation characteristics.

H ρευστοποίηση λόγω σεισμού είναι ένα από τα πλέον καταστρεπτικά φαινόμενα της Γεωτεχνικής Σεισμικής Μηχανικής. Για αυτό το λόγο, οι υφιστάμενοι Αντισεισμικοί Κανονισμοί έχουν εξαιρέσει τα ρευστοποιήσιμα εδάφη από τις τυπικές κατηγορίες εδαφών, εκτός εάν ο κίνδυνος ρευστοποίησης αντιμετωπισθεί πλήρως, μέσω (α) καθολικής (με το βάθος) βελτίωσης του εδάφους και (β) χρήσης πασσάλων. Ως εκ τούτου, το ενδιαφέρον για τη σεισμική απόκριση ρευστοποιήσιμων εδαφών είναι σχετικά μικρό και επομένως το εν λόγω θέμα έχει μελετηθεί ελάχιστα από την διεθνή επιστημονική κοινότητα έως σήμερα.Παρόλα αυτά, αρκετές πρόσφατες πειραματικές και θεωρητικές έρευνες έχουν θέσει σε αμφισβήτηση τον ανωτέρω περιορισμό, αποδεικνύοντας ότι η ύπαρξη μιας μη ρευστοποιήσιμης επιφανειακής στρώσης, επαρκών διαστάσεων και αντοχής, πάνω από ρευστοποιήσιμες εδαφικές στρώσεις μπορεί να επιτρέψει την χρήση επιφανειακών θεμελιώσεων και να ικανοποιήσει τόσο τα κριτήρια ασφάλειας και όσο και τα κριτήρια επιτελεστικότητας. Ως εκ τούτου, το ενδιαφέρον για τη σεισμική απόκριση στην επιφάνεια ρευστοποιήσιμων εδαφών έχει σήμερα αναζωπυρωθεί, καθώς η μέγιστη εδαφική επιτάχυνση και το αντίστοιχο ελαστικό φάσμα σχεδιασμού αποτελούν βασικές παραμέτρους για τον αντισεισμικό σχεδιασμό τόσο της ανωδομής όσο και της θεμελίωσης. Ενόψει των ανωτέρω, η παρούσα Διδακτορική Διατριβή στοχεύει στο να συνεισφέρει στο αντισεισμικό σχεδιασμό των δομικών κατασκευών, μελετώντας διεξοδικά τη σεισμική απόκριση ρευστοποιήσιμων εδαφών σε συνθήκες ελεύθερου πεδίου και αναπτύσσοντας εμπεριστατωμένες μεθοδολογίες για την αξιόπιστη εκτίμηση των αντίστοιχων σεισμικών δράσεων (δηλαδή της μέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης και του ελαστικού φάσματος απόκρισης στην επιφάνεια του εδάφους), οι οποίες αποτελούν βασικά δεδομένα σχεδιασμού. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην ανάπτυξη απλών κριτηρίων και αριθμητικών μεθόδων προσανατολισμένων σε έμπειρους, αλλά όχι απαραίτητα εξειδικευμένους, Μελετητές-Μηχανικούς. Επιπρόσθετα, η παρούσα Διδακτορική Διατριβή εξετάζει τις συνθήκες που απαιτούνται έτσι ώστε οι ρευστοποιημένες εδαφικές στρώσεις να απομειώνουν αποτελεσματικά τη σεισμική κίνηση, παρέχοντας έτσι «φυσική σεισμική μόνωση» των επιβαλλόμενων σεισμικών δράσεων.Πιο συγκεκριμένα, πραγματεύεται τα ακόλουθα θέματα: (i) Ανάπτυξη και τεκμηρίωση μιας αριθμητικής μεθοδολογίας που θα επιτρέπει την ακριβή (κατά το δυνατόν) εκτίμηση της σεισμικής απόκρισης ρευστοποιήσιμων εδαφών υπό συνθήκες ελεύθερου πεδίου, χρησιμοποιώντας μη-γραμμικές, πλήρως συζευγμένες, δυναμικές, αριθμητικές αναλύσεις ενεργών τάσεων. Η εν λόγω μεθοδολογία θα μπορεί να αξιοποιηθεί είτε για την ανάλυση και το σχεδιασμό συγκεκριμένων κατασκευών και θεμελιώσεων ή για την παραμετρική διερεύνηση των μηχανισμών και των παραγόντων που επηρεάζουν τη σεισμική απόκριση ρευστοποιήσιμων εδαφών (όπως σε αυτή τη Διατριβή). (ii) Ανάπτυξη απλοποιημένων μεθοδολογιών για την αξιόπιστη εκτίμηση της σεισμικής απόκρισης στο ελεύθερο πεδίο (μέγιστη εδαφική επιτάχυνση και ελαστικά φάσματα απόκρισης) σε ρευστοποιήσιμα εδάφη, αξιοποιώντας μεθόδους που χρησιμοποιούνται ευρέως στην πράξη (π.χ. ισοδύναμες γραμμικές αναλύσεις τύπου SHAKE). Είναι επιθυμητό, αν και αρκετά αισιόδοξο, οι εν λόγω μεθοδολογίες να μπορέσουν μελλοντικά να ενσωματωθούν στο πλαίσιο των υφιστάμενων Αντισεισμικών Κανονισμών. (iii) Διατύπωση απλών κριτηρίων για τον a-priori καθορισμό της ικανότητας ενός δεδομένου ρευστοποιήσιμου εδαφικού προφίλ να απομειώνει ή να ενισχύει τη σεισμική κίνηση ανάλογα με τις υφιστάμενες εδαφικές συνθήκες και τα χαρακτηριστικά της αναμενόμενης σεισμικής δόνησης. Τα εν λόγω κριτήρια είναι σημαντικά για την λήψη αποφάσεων σχετικά με τη ανάγκη μερικής ή ολικής με το βάθος βελτίωσης των ρευστοποιήσιμων εδαφικών στρώσεων, προς βελτιστοποίηση του αντισεισμικού σχεδιασμού των υπερκείμενων δομικών κατασκευών.