Seismic performance of tunnel in liquefiable soil

Abstract

Tüneller, menholler, boru hatları, metro istasyonları, derin temeller ve cankurtaran sistemleri gibi zemin yüzeyinin altındaki yapıların sismik performans değerlendirmesi, modern kentsel alanların büyümesinde önemli bir konudur. Bu nedenle, özellikle yüksek sismik risk bölgelerinde hasar riskini azaltmak için güvenilir araç ve yöntemler geliştirilmesine duyulan ihtiyaç bir önceliktir. Zemin yüzeyinde bulunan yapıların sismik performansları genellikle yapının atalet kuvvetlerine, zemin büyütmesine ve yapının temel sistemi ile temel zeminine bağlıdır. Doğal periyot ve titreşim modları yeraltı yapıları için anlamsızdır, dolayısıyla yeraltı yapıları deformasyonu göreceli deplasmanlar tarafından yönetilir. Deprem sırasında yapıyı çevreleyen zeminin davranış biçimi yapı üzerinde etkilidir. Bir yeraltı yapısının tasarlanması için riskin değerlendirilmesi, güçlü yer hareketi sırasında oluşabilecek davranış biçimlerine karşı önlem almaktır. Geçtiğimiz yirmi yıl içinde, depremler sırasında sıvılaşmış zemine gömülü yeraltı yapılarının zemin yüzeyine çıkması araştırmacıların ilgi alanı olmuştur. Bu tez çalışması kapsamında geoteknik açıdan deprem kuvvetleri altında sıvılaşan zeminde oluşan boşluk suyu basıncı nedeni ile tünelin zemin yüzeyine doğru hareket etmesi incelenmiştir.İkinci bölümde, sıvılaşmış zeminlerde yeraltı yapıları ile ilgili literatürde mevcut bazı arka plan bilgileri verilmiştir. Gömülü derinlikte tünel davranışı üzerine derinliğin, tünelin gömülü derinlik oranının, yer hareketi yayılım yönünün, geçirgenlik, sürtünme açısı ve zeminin dilatasyon açısı gibi farklı parametrelerin etkisi incelenmiştir. Bu parametrelerin, tünellerin sismik davranışları üzerindeki etkilerine ilişkin mevcut anlayışın, deney eksikliği veya gerçek durum verileri nedeniyle kısıtlandığı belirtilmelidir. Mevcut sayısal yöntemler varsayımlara dayanmaktadır. Bu nedenle, sayısal analizlerin validasyonu, deneysel çalışmalar ve nümerik simülasyonlar dikkatli bir şekilde gerçekleştirilerek oluşturulabilir.Beşinci bölümde, suya doygun kumda gömülü tünel ile ilgili Opensees platformunda uygulama için sonlu eleman modellemesi yöntemi ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Seçilen zaman adımı ve yeterli eleman ağ gözü büyüklüğü gibi modelleme sırasında ortaya çıkabilecek en önemli konular netleştirilmiştir. Geoteknik hesaplamalarda kullanılan pratik sınır koşulları açıklanmıştır. Bununla birlikte, bu araştırmada kullanılan absorb (etki azaltan) sınır koşulu ve farklı sınır koşullarının zemin-tünel sistemi davranışı üzerindeki etkisi ihmal edilmiştir. Serbest alan analizleri için sayısal ana hat, alanın uzak alan kenarlarından gelen enerjinin yansımasını azaltmak ve zemin-tünel arayüzünde yapısal ve hidrolik etkileşimleri temsil etmek amacıyla sınır koşuluna daha fazla dikkat edilmektedir.Analiz prosedüründe öncelikle tünel-zemın sıstemınınzemin yüzeyine doğru hareket etme davranışını değerlendirmek için dinamik analiz ile yerçekimi analizleri gerçekleştirilmiştir. Daha sonra, sonlu elemanlar modelinde, tünelin yükselme davranışındaki maximun zemin ivmesinin etkisini araştırmak için farklı yer hareketi genlikleri ile analiz edilmiştir. Kohezyonsuz doygun gevşek kum içinde sıvılaşma sonrası zemin davranışı için ilave analizler yapılmıştır.Bölüm 6'da kullanılan zemin tepkisi modelinin özellikleri Bölüm 5'te olduğu gibi açıklanmış, parametrik analizleri gerçekleştirilmiştir. Tek eleman seviyesinin kalibrasyonu, drenajlı ve drenajsız koşullar için hem dinamik hem de monotonik olarak çözümlenmiştir. Zemin tabakalarını oluşturan parametreler, yaygın olarak kullanılan yarı deneysel sıvılaşmayı tetikleyen yöntemlerekarşı kalibre edilmiştir. Oluşturulan model kalibrasyonunun bir prosedürü olarak, kayma modülü azalım eğrisinin zemin kesmedayanımı ile uyumlu olmasını sağlamak için yeni bir yol kullanılmıştır.Openses proğramında PressureDependentMultiYield (PDMY02) modeli için kapsamlı bir bünyesel zemin model kalibrasyonu uygulanmıştır. Gerçek sıvılaşabilir profil çalışmaları için doğrusal olmayan 2D zemin tepkisi analizlerinde kullanılacak zeminin daha doğru yanıtını yakalamak amacıyla kalibrasyon araştırmacılar tarafından bildirilen SPT testinin farklı darbe sayılarına sahip olan yoğun kumlara göre yapılmıştır. Monotonik ve dinamik basit kesme kuvveti deneyi için tek elemanlı simülasyon ile nümerik değerlendirme yapılmıştır. Farklı başlangıç sınırlarında düşey basınçların farklı derinliklerde zemin davranışını simüle ettiği düşünülmüştür. Simülasyon sonuçları, kum için EPRI1993 önerilen modül azaltımı ile karşılaştırılmış, kalibre edilmiş parametrelerin sonucu, EPRI1993 önerilen modül azaltımı ile uyumlu olduğu gözlenmiştir.Altıncı kısımın ikinci bölümünde, kalibre edilmiş yapısal model parametreleri, Wildlife Array bölgesi ve Kobe liman adası alanının 2D saha sonuçlarını gerçek vaka çalışmaları ile doğrulamak için kullanılmıştır. Wildlife Liquefaction Array (WLA) alanı için, Superstition Hills depreminin down-hole array, modelin tabanında bir girdi hareketi olarak kullanılmıştır. Kobe Port Island istasyon sahası için, deprem kaydı olarak 1995 Kobe depreminin 32m derinliğindeki kayıt kullanılmıştır. Simulasyonlardan zemin seviyesindeki hız, hız ve yer değiştirme zamanlarının, her bir sahadaki kayıtlı verilerle iyi bir uyum içinde olduğu gözlenmiştir. Kalibre edilmiş model parametreleri daha sonra doğrusal davranış için gerçek vaka çözümlerine göre doğrulanmış ve Superstition Hills depremi Wildlife Liquefaction Array (WLA) bölgesinde ve Hyogoken-Nanbu'daki için down-hole array kaydına karşı doğrulanmıştır. Kobe liman adasındaki Kobe depremine ait zemin parametrelerini doğrulamak ve tipik olarak ampirik verilerde bulunmayan geoteknik parametrelerin incelenmesi için bir dizi parametrik 2D saha analizi yapılmıştır.Sonuçta elde edilen yüzey ivme spektrumları deneysel yönteme benzer bir şekilde karşılaştırılmaktadır. Yüzey dalgası ve basen etkisi gibi 2D ve 3D efektlerini veya 1D modelinin sıvılaşma altındaki 1D dalga yayılımının tüm göze çarpan yönlerini gösterme kabiliyetindeki olası eksiklikleri yakalamak için 1B saha yanıt analizi dikkate alınmıştır. Zemin yapı sisteminin yukarı hareket etmesi veya oturması üzerinde zemini parametrelerinin etkisi, tünel ve zemin alanının geometrik etkisinin tünel-toprak sisteminin tünel ve derinlikteki tünel-zemin sistemi üzerindeki etkisi ve yüksekliğinin tünel ve etki oranına etkisi bu hareketin frekans içeriği olarak yer hareketi karakteristik parametrelerinin, yer hareketinin ve süresinin genliği tünelin davranışına etkileyen ana parametrelerdir.Öte yandan, sıvılaşabilir zeminde yer alan tünel-zemin sistemi üzerinde etkisi nedeniyle sadece frekans içeriğine ve ivme genlik olarak incelenen geometrinin ve yer hareketi özellikleri etkisi, , literatürde yaygın olarak kullanılan basit bir yöntem olarak gerçekleştirilmektedir.Bu araştırmada, aynı anda yatay ve düşey olarak uygulanan deprem ivmesinin, sıvılaşan zeminde tünel-zemin sisteminin düşey yönde yukarı doğru hareket miktarı ve oturma üzerindeki etkisi ve farklı relatif sıkılığın tünel-zemın sisteminin düşey yönde yükselmesi üzerindeki etkisinin incelenmiştir.Yatay ve düşey ivme kombinasyonunun etkisini değerlendirmek açısından, düşeyden yatay maksimum genlik oranıyla birlikte (V / H> 1), tünelin yükselme eğiliminde bir artış olduğu gözlemlenmiştir. Öte yandan, V / H ile 1'den küçük yatay ve düşey uyarım kombinasyonu, yatay ivmenin etkisini azaltarak yukarı doğru hareket miktarını azaltacaktır. Yüksek Relatif sıkılıkta olan kumda ilave boşluk suyu basıncının oluşmaması nedeniyle sıvılaşma olmamıştır. Relatif sıkılık azaldıkça tünelin yer değiştirmesi ve yer değiştirme hızının arttığı gözlenmiştir.OpenSees açık kaynak kod platformunda katı akışkan tam efektif stres kullanılarak tünel sayısal simülasyonlarının sıvılaşma sonrası oturmasının değerlendirilmesi için yapıldı. 1995 Kobe deprem kayıtlarının yatay bileşenleri seçilmiş ve frekans aralığında değişiklik olmaması nedeni ile kayıtların ilk 40 saniyesi analizinde dikkate alınmıştır. Orta sıkılıkta Dr =57% olan Neveda kumu Dr = 74%. olan kumun üstünde yer almaktadır. Tünel davranışını sıvılaştırılabilir zemin ile inceliyebilmek için, zemin içindeki yatay ve düşey kritik noktalar olarak alınmıştır. Relatif sıkılık arttıkça, uzak alan, yakın alan ve alanın merkezindeki oluşan tünelin yukarı doğru harekei ve oturmalar azalmaktadır.

Seismic performance evaluation of structures below the ground surface such as tunnels, manholes, pipelines, subway stations, deep foundation and lifeline systems is an important issue in growing modern urban areas. Therefore, needs for developing reliable tools and methods to decrease damage risk is a priority especially in high seismic risk regions. Evaluation of risk for designing an underground structure can be accomplished by gaining insight into the ground response during strong ground motion. During past two decades, uplift of underground structures buried in liquefiable site has been come to attention between scholars. In this thesis, the emphasize was to evaluate the uplift of tunnel due to geotechnical aspects rather than structural. In second chapter, some background information available in literature related to underground structures in liquefiable soils were given. Effect of different parameters such as buried depth, wide to buried depth ratio of tunnel, direction of ground motion propagation, permeability, friction angle and dilation angle of soil on tunnel behavior in liquefiable sand were explored. It should be noted that, current understanding on the influences of these parameters on the seismic behavior of tunnels is restricted due to lack of experiments or real case data. Present numerical methods are based on assumptions. Therefore, for the rationality and validation of numerical analyses can be established by carrying out experimental studies and numerical simulations cautiously.In fifth chapter, the procedure of finite element modeling for implementation in Opensees platform related to tunnel buried in saturated sand explained in detail. The most important issues that may occur during modeling such as chosen time step and adequate element mesh size clarified. Different available and practical boundary conditions procedure in geotechnical computation are described. However, in this research only absorbent boundary condition used and the effect of different boundary conditions on soil-tunnel system behavior was neglected. The numerical outline for free-field analyses consists more attention to the boundary condition to reduce the reflection of energy from far-field lateral sides of the domain and to represent structural and hydraulic interactions at the soil-tunnel interface.In the analyses procedure gravity analyses performed following by dynamic analysis to evaluate tunnel uplift behavior. The model analyzed with different ground motion amplitudes to investigate the effect of peak ground acceleration on tunnel uplift behavior. Additional evaluation performed for post-liquefaction behavior of tunnel in cohesionless saturated loose sand.Chapter 6 describes characteristics of the site response model used toperform the parametric analyses as described in Chapter 5. Single element levelcalibrations procedure was enlightened which were conducted for both cyclic and monotonic under drained and undrained conditions. The soil constitutive parameters calibrated against a commonly used semi empirical liquefaction triggering routine. As procedure of this constitutive model calibration, a new way was used for assuring that shear modulus reduction curve is compatible with soil shear stiffness. An extensive soil constitutive model calibration was carried out for PressureDependentMultiYield model (PDMY02) in Opensees. The aim was to capture more accurate response of the soil to be implemented in nonlinear 2D site response analyses for real liquefiable profile case studies. Calibration was only conducted for loose to dense sand with different blow counts of SPT test reported by researchers. Numerical evaluation was conducted with Single element simulation for monotonic and cyclic simple shear test. Different initial confining vertical pressures was considered to simulate soil behavior at different depths. The simulation results was compared with EPRI1993 recommended modulus reduction for sand. The result of calibrated parameters were in agreement with EPRI1993 recommended modulus reduction. Furthermore, the calibrated constitutive model parameters were used to validate the 2D site response of Wildlife Array site and Kobe port island site as real case studies. For Wildlife Array site, downhole array record of Superstition Hills earthquake was used as an input motion at the base of the model. For Kobe Port Island station site, the downhole array record at depth 32m of 1995 Kobe earthquake was used as an input motion. The acceleration, velocity and displacement time histories at ground surface level from simulations were in good agreement with recorded data at each site. In the second part of chapter 6, the calibrated model parameters are then verified against real case solutions for the linear behavior, and validated against down-hole array recording for Superstition Hills earthquake at the Wildlife Liquefaction Array (WLA) site and Hyogoken-Nanbu, Kobe earthquake at Kobe Port Island site. a series of parametric 2D site response analyses were performed to validate the soil parameters and to study geotechnical parameter that are typically unavailable in the empirical data.The resulting surface acceleration spectra are compared in a way that is comparable to the empirical method. The differences might be attributable to the inability of the 1D site response analyses to capture 2D and 3D effect such as surface wave and basin effect, or possibly shortcomings the in the 1D model's ability to faithfully represent all salient aspects of 1D wave propagation under liquefaction. Effect of different soil constitutive model parameters on uplift and settlement of soil structure system, effect of geometric of tunnel and soil domain on uplift and settlement of tunnel-soil system such as buried depth of tunnel and effect of height to wide ratio of tunnel and effect of ground motion characteristic's parameters such as frequency contents of motion, amplitude of ground motion and duration are the main parameters effecting behavior of tunnel. On the other hand, investigation the effect of geometry and ground motion characteristics, only frequency content and acceleration amplitude, on tunnel-soil system in liquefiable soil have been widely evaluated in literature due to simpler procedure for implementation. In this research, emphasize was on evaluating effect of combined horizontal and vertical excitation, post-liquefaction phase on uplift and settlement of tunnel-soil system and effect of different relative density on tunnel uplift.In terms of evaluating the effect of horizontal and vertical excitation combination, for vertical to horizontal maximum amplitude ratio higher than unity (V/H>1) an increase in uplift displacement of tunnel was observed. On the other hand, combination of horizontal and vertical excitation with V/H less than 1 will reduces the uplift displacement as it damps out the effect of horizontal excitation. Sand with higher relative density did not liquefied due to generation of less pore water pressure. Therefore, dissipation begins earlier compare to sand with smaller relative density. The rate of uplift and settlement displacement of tunnel increases as relative density decreases. For evaluation of post-liquefaction consolidation settlement of tunnel numerical simulations using solid-fluid fully coupled effective stress were conducted in OpenSees open source code platform. horizontal components of 1995 Kobe earthquake records was selected and first 40s of records only considered in analyses without any change in frequency contents of motion. The soil assumed as medium dense Nevada sand with relative density Dr=57% overlaying dense sand with relative density Dr=74%. Extracted results for Far-field, near-field and center nodes of domain. To evaluate the tunnel behavior with the liquefiable soil, critical points within the soil domain are considered horizontally and vertically. Both uplift of tunnel near-field and settlement in far-field in sand with higher relative density are smaller as relative density increases.