Effective stress based constitutive modelling and assessment of seismic pile-soil interaction in liquefiable soils

Abstract

Sismik olarak aktif bölgelerdeki zeminlerde, sıvılaşmaya bağlı deformasyonlarınbelirlenmesi geoteknik deprem mühendisleri için büyük bir eksiklik olmayadevam etmektedir. Mevcut çalışmalara rağmen, bu deformasyon değerlerinitahmin etmek uygulamanın yumuşak karnıdır. Bu eksiklikten yararlanılarak,tamamıyla bütünleşik, iki boyutlu, efektif gerilme tabanlı ve doğrusal olmayan birbünye modeli geliştirilmiş olup, METUSAND olarak anılacaktır. Geliştirilenmodel, C++ formatında DLL `altprogramı` olarak FLAC ticari yazılımınaeklenmiştir. METUSAND, Cetin et al., Cetin ve Bilge, ve Shamoto et al.modellerinin yarı ampirik döngüsel gerilme ve aşırı boşluk suyu basıncı tahmininedayanmaktadır. Önerilen bünye modelinin geçerliliğini teyhid etmek amacı ile,tipik vaka örnekleri olan ve 1987 yılında meydana gelen `Superstition Hills`depreminde Kaliforniya eyaletinin `Imperial Vadisi` Wildlife sahasındaki ve1995 yılında meydana gelen `Hyogo-ken Nanbu` depreminde Kobe'de `PortIsland` sahasındaki zemin sıvılaşması modellenmiştir. Analiz sonuçlarına göre,bahsedilen vaka örneklerinde meydana gelen zemin sıvılaşması tetiklenmesi vesıvılaşma sonrası deformasyon değerleri METUSAND modeli ile elde edilendeğerlerle uyumludur. Ardından, sıvılaşabilen bir zemine yerleştirilen tekilkazığın yatay sismik deformasyonunu incelemek amacıyla sayısal simülasyonlaryapılmıştır. NAVFAC ve Duncan Karakteristik Yük Yöntemi 'nden yararlanılarakve sayısal simülasyon sonucu esas alınarak sıvılaşabilen zeminler içinde yer alankazıkların sismik deformasyon davranışını belirlemek üzere yarı ampirikbağıntılar geliştirilmiştir. Geliştirilen bu bağıntılar iyi dökümanlanmış santrifüjdeneyleri ile doğrulanmıştır. Doğrulama çalışmaları, sunulan yöntemin kazıklarınyatay deformasyonlarını en fazla çarpı iki bölü iki mertebelerindeki birhassasiyetle bulabileceğini kanıtlamıştır.

The assessment of liquefaction-induced deformations of foundation soils locatedin seismically active regions has been a major concern for geotechnicalearthquake engineers. Inspite of the existing efforts, the prediction of thesedeformations has remained a `soft` area of practice. Inspired by this gap, a newfully coupled, two-dimensional, effective stress-based, nonlinear and simplifiedconstitutive model, referred to as METUSAND, is developed. As a part of themodel development efforts, a `C++` subroutine was implemented incommercially available software FLAC based on semi-empirical cyclic strainingand excess pore water pressure assessment models of Cetin et al., Cetin and Bilgeand Shamoto et al. For verification purposes, well known liquefaction-inducedground deformation case history sites of Wildlife Site, Imperial Valley,California, shaken by 1987 Superstition Hills earthquake and Port Island Array,Kobe, shaken by 1995 Hyogo-ken Nanbu earthquake are re-assessed by using METUSAND. The analysis results confirmed that the proposed semi-empiricalconstitutive model METUSAND, can reliably predict liquefaction triggering andpost liquefaction straining responses. Then, for the purpose of assessing lateralseismic deformation behavior of a single pile buried in liquefiable soils, series ofnumerical simulations were performed. On the basis of these numerical simulationresults, and inspired by NAVFAC and Duncan Characteristic Load Method, semiempiricalmodels to assess seismic deformation performance of piles buried inliquefiable soils were developed. Again, these recommended models werevalidated with actual well documented centrifuge test results. The validationstudies confirmed that the proposed framework can predict pile deformationsaccurately within a precision of a factor of maximum two.