Earthquake-induced soil liquefaction under drained conditions
Liquéfaction du sol induite par tremblement de terre dans des conditions drainées
Résumé
Earthquake-induced soil-liquefaction is a common and devastating phenomenon, which causes casualties, economic losses, and destruction of lifelines. During liquefaction, earthquake-shaking induces loss of soil rigidity, producing liquid-like behavior and a sudden loss of soils ability to support infrastructure load, leading to failure of structures such as buildings and bridges. Liquefaction can also be recognized in the geological record as soft sediment deformation. The classical mechanism used to explain this phenomenon assumes an undrained response, i.e., that during earthquake shaking, fluid-filled pores in the soil tend to collapse and reduce volume so quickly that fluid cannot escape, resulting in a pore pressure increase. The overburden load is transmitted from the grain contacts to the interstitial fluid, which cannot support shear; hence, the soil layer liquefies and fails.Recent studies have questioned whether the undrained response is the sole mechanism that can lead to soil liquefaction. Particularly, the undrained hypothesis fails to explain observations of liquefaction beyond the earthquake near-field, where the seismic energy density is low, and recurrent liquefaction events. The undrained model further struggles to explain observations of co-seismic fluid expulsion from the subsurface, and co-seismic soil settlement produced in the lab. This work utilizes a physics-based formulation of pore pressure evolution in a deforming granular layer, numerical simulations and shaking table experiments to show that pore fluid pressurization can be achieved via a drained end member in addition to the known undrained end member. The term "drained" is adopted in this study to describe the end member in which the time scale of pore pressure dissipation is much shorter than the time scale of forcing. The dissertation shows that fluid flow relative to the soil grains is immanent under drained conditions. The flow is accompanied by excess pore pressure gradients and pore pressure values that liquefy the soil. The dynamics of drained liquefaction are controlled by an upward-moving compaction (solidification) front, which separates a compacted non-liquefied sub-layer at the bottom from a settling-liquefied sub-layer at the top. The compaction front travels upward at a velocity dictated by the rate by which the seismic energy density (the seismic power) is imposed. The duration of the drained liquefaction event and the accompanying process of soil compaction are found to be controlled mainly by the relations between the seismic power, the front velocity, the layer's thickness, and the soil characteristic permeability. Drained liquefaction is further found to occur even at very low seismic energy, providing an explanation for previously puzzling liquefaction events beyond the earthquake near-field. The unique interplay between the amount of compaction and the imposed power during an earthquake can also explain previously enigmatic recurrent liquefaction events, that occur despite the expected natural remediation against reliquefaction.The practical implications of this study are that well-drained (e.g., high permeability) soils, sites which are not expected to experience large shaking intensity, and soils that were liquefied in the past, should not be a-priori assumed liquefaction resistant.
La liquéfaction des sols induite par les tremblements de terre est un phénomène courant et dévastateur, qui cause de graves pertes économiques et des victimes. Au cours de la liquéfaction, les secousses sismiques provoquent une perte de rigidité du sol, produisant un comportement de type liquide et une perte soudaine de la capacité du sol à supporter la charge des infrastructures, entraînant la défaillance de structures telles que des bâtiments et des ponts. La liquéfaction peut également être reconnue dans les archives géologiques comme une déformation des sédiments mous. Le mécanisme classique utilisé pour expliquer ce phénomène suppose une réponse non drainée, c'est-à-dire que pendant les secousses sismiques, les pores remplis de fluide dans le sol ont tendance à s'effondrer et à réduire leur volume si rapidement que le fluide ne peut pas s'échapper, ce qui entraîne une augmentation de la pression interstitielle. Le poids des couches supérieures transmise des contacts de grain au fluide interstitiel, qui ne peut pas supporter le cisaillement ; par conséquent, la couche de sol se liquéfie et échoue.Des études récentes ont remis en question si la réponse non drainée est le seul mécanisme qui peut conduire à la liquéfaction du sol. En particulier, l'hypothèse non drainée ne parvient pas à expliquer les observations de liquéfaction au-delà du champ proche du tremblement de terre où la densité d'énergie sismique est faible, et les événements de liquéfaction récurrents. Le modèle non drainé a en outre du mal à expliquer les observations d'expulsion de fluide co-sismique du sous-sol, le tassement co-sismique du sol produit en laboratoire et les formulations théoriques qui permettent la pressurisation dans des conditions drainées.Ce travail utilise une formulation basée sur la physique de l'évolution de la pression interstitielle dans une couche granulaire déformable, des simulations numériques et des expériences de table vibrante pour montrer que la pressurisation du fluide interstitiel peut être obtenue via un cas extrême drainé en plus du cas extrême non drainé connu.La thèse montre que l'écoulement des fluides par rapport aux grains du sol est inhérent en conditions drainées. L'écoulement s'accompagne de gradients de surpression interstitielle et de valeurs de pression interstitielle qui liquéfient le sol. La dynamique de liquéfaction drainée est contrôlée par un front de compaction (solidification) ascendant, qui sépare une sous-couche compactée non liquéfiée en bas d'une sous-couche liquéfiée (en décantation) en haut. Le front de compaction se déplace vers le haut à une vitesse dictée par la vitesse à laquelle la densité d'énergie sismique est imposée (la puissance sismique). La durée de l'événement de liquéfaction drainée et le processus de compaction du sol qui l'accompagne sont contrôlés principalement par les relations entre la puissance sismique, la vitesse du front, l'épaisseur de la couche et la perméabilité caractéristique du sol.La liquéfaction drainée s'avère en outre se produire même à une énergie sismique très faible, fournissant une explication aux événements de liquéfaction précédemment déroutants au-delà du champ proche du tremblement de terre. L'interaction unique entre la quantité de compaction et la puissance imposée lors d'un tremblement de terre peut également expliquer des événements de liquéfaction récurrents auparavant énigmatiques, qui se produisent malgré la remédiation naturelle attendue contre la reliquéfaction.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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