Numerical simulation of liquefaction-related phenomena

Abstract

Liquefaction-related phenomena are a major concern for modern societies, at least in seismically active zones, due to their massive destructive potential, capable of causing great economic losses, social disruption and loss of life. Although the great development of numerical tools in recent years has extended the possibilities of performance-based design, it has also revealed the need for more reliable constitutive models, capable of simulating the mechanisms involved in these complex phenomena. In this thesis, a bounding surface plasticity model is implemented into the finite element code FEMEPDYN, developed at the University of Coimbra, and applied to the simulation of liquefaction-related phenomena induced by cyclic loading and observed in element laboratory tests and centrifuge experiments. In the first part of this thesis, the outcome of an extensive laboratory testing programme performed on Hostun sand is presented, including results of bender element tests, as well as of drained and undrained monotonic triaxial compression and extension tests, allowing for the characterisation of the monotonic response of Hostun sand within the very small to large strain range. The effects of the void ratio, consolidation stress state and stress path on the measured response are discussed. Moreover, a state-parameter approach is used in conjunction with critical state soil mechanics concepts to characterise the distinctive states of the response of sand, namely the undrained instability, phase transformation, peak stress ratio, and critical states. The stress-dilatancy characteristics of sand are also investigated. In addition, results of a series of drained and undrained cyclic triaxial tests carried out on Hostun sand are used to assess the key aspects of its cyclic response, including the reduction of the secant shear stiffness and concurrent increase in damping ratio with strain amplitude, the generation of excess pore water pressure with cyclic loading and the undrained cyclic resistance. The second part of this thesis includes a comprehensive description of a bounding surface plasticity model proposed in the literature and adopted in the present study. To increase the overall flexibility and expand the modelling capabilities of the constitutive model, two modifications are introduced to its formulation. Attention is subsequently given to its implementation into the finite element code FEMEPDYN. The operations required in each step of the stress integration scheme are thoroughly described, giving particular emphasis to the operations required by the co-existence of the two yield surfaces of the constitutive model. Validation exercises comprising the simulation of both element laboratory tests and centrifuge experiments and the comparison of the obtained results with those reported in the literature are presented afterwards. The third and final part of this thesis starts with the calibration of the constitutive model against the results of element laboratory tests performed on Hostun sand during the first stage of the research. Subsequently, the ability of the constitutive model to reproduce the response of Hostun sand measured in the laboratory is explored in detail, enabling to characterise the merits and pitfalls of the constitutive model. Its performance is further evaluated by simulating two dynamic centrifuge experiments presented in the literature concerning the performance of shallow foundations resting on saturated deposits of Hostun sand subjected to dynamic loading causing liquefaction. The obtained results suggest that the numerical tool is able to capture accurately important aspects of the sand-structure interaction observed in the centrifuge experiments, such as the generation of large excess pore pressures in sand induced by the applied dynamic loading and consequent alteration of the input motion due to the reduction of sand’s stiffness, as well as the progressive accumulation of large structural settlement with dynamic loading. Furthermore, the impacts of both densification and closely spaced high-capacity vertical drains on the mitigation of liquefaction effects seem also adequately captured in the numerical analysis.

Os fenómenos associados a liquefação são uma preocupação para as sociedades modernas, nomeadamente quando localizadas em zonas sísmicas ativas, devido ao seu enorme potencial de destruição, capaz de provocar elevados prejuízos económicos, alteração ao normal funcionamento da sociedade e perda de vidas humanas. Apesar do grande desenvolvimento de ferramentas numéricas verificado nos últimos anos ter aumentado as possibilidades do uso do dimensionamento baseado no desempenho das estruturas na prática, este progresso também evidenciou a necessidade do desenvolvimento de modelos constitutivos mais robustos, capazes de simular os mecanismos envolvidos neste tipo de fenómenos. Nesta tese, um modelo baseado na teoria bounding surface plasticity é implementado no código de elementos finitos FEMEPDYN, desenvolvido na Universidade de Coimbra, e utilizado para a simulação de fenómenos associados a liquefação induzida por carregamentos cíclicos e observada ensaios elementares de laboratório e ensaios de centrifugadora. Na primeira parte desta tese, são apresentados os resultados obtidos num extenso programa de ensaios elementares realizados sobre a areia de Hostun, incluindo ensaios de bender elements e ensaios triaxiais de compressão e de extensão drenados e não drenados, os quais permitem a caracterização da resposta monotónica da areia de Hostun no domínio das muito pequenas a grandes deformações. Os efeitos do índice de vazios, do estado de tensão na consolidação das amostras e da trajectória de tensão na resposta medida no laboratório são aí discutidos. Para além disso, é utilizada uma metodologia com um parâmetro de estado em conjunto com conceitos de mecânica dos solos de estado crítico para caracterizar estados distintos da resposta de areias, nomeadamente os relativos a instabilidade em condições não drenadas, a transformação de fase, ao valor de pico do rácio de tensão e ao estado crítico. As características da relação entre o estado de tensão e a dilatância de areias são também investigadas. Para complementar, são utilizados resultados obtidos em ensaios triaxiais cíclicos em condições drenadas e não drenadas sobre a areia de Hostun para caraterizar os aspectos principais da sua resposta cíclica, incluindo a redução da rigidez secante ao corte acompanhada do aumento do amortecimento com o nível de extensão, a geração de pressões de água nos poros com o carregamento cíclico e a resistência cíclica não drenada. A segunda parte da tese inclui uma descrição detalhada do modelo baseado na teoria bounding surface plasticity proposto na bibliografia e adotado neste estudo. Para aumentar a versatilidade do modelo, assim como as suas capacidades de modelação, são introduzidas duas modificações na sua formulação. De seguida, apresenta-se a implementação do modelo no código de elementos finitos FEMEPDYN. As operações necessárias em cada passo do método de integração são descritas em detalhe, dando especial atenção às operações requeridas pela coexistência de duas superfícies de cedência no modelo constitutivo. São finalmente apresentados exemplos de validação, incluindo a simulação de ensaios de laboratório elementares e de centrifugadora, comparando-se os resultados obtidos neste estudo com os que estão descritos na bibliografia. A terceira e última parte da tese começa por descrever a calibração do modelo constitutivo utilizando os resultados dos ensaios de laboratório elementares realizados sobre a areia de Hostun durante a primeira fase do trabalho de investigação. De seguida, a capacidade do modelo para reproduzir a resposta medida no laboratório é explorada em detalhe, permitindo a caracterização das capacidades e limitações do modelo constitutivo. O seu desempenho é posteriormente avaliado através da simulação de dois ensaios dinâmicos de centrifugadora, cujos resultados são apresentados na bibliografia, acerca do desempenho de fundações superficiais assentes em depósitos saturados de areia de Hostun quando sujeitas a ações dinâmicas causando liquefação. Os resultados obtidos sugerem que a ferramenta numérica é capaz de prever, de forma adequada, aspectos importantes da interação solo-estrutura observados nos ensaios de centrifugadora, tais como a geração de pressões de água nos poros elevadas no depósito de areia devido ao carregamento dinâmico e a consequente alteração da acção dinâmica aplicada na base do modelo devido à redução da rigidez ao corte da areia, bem como a progressiva acumulação de elevados assentamentos estruturais com o carregamento dinâmico. Para além disso, os impactos da densificação da areia e da introdução de uma malha densa de drenos verticais de alta capacidade na mitigação dos efeitos de liquefação também parecem ser adequadamente simulados na análise numérica.