3D effects in seismic liquefaction of stochastically variable soil deposits

The natural variability of soil properties within geologically distinct and uniform layers has been proven to greatly affect soil behaviour and to induce significant variability in the predicted response. Previous studies concluded that small-scale heterogeneity greatly affects the liquefaction potential of saturated soil deposits, and provided geotechnical design guidelines to account for the effects of various characteristics of spatial variability. Those studies were based on two-dimensional analyses of soil liquefaction (in a vertical plane) assuming plane strain behaviour. Therefore the correlation distance of soil variability in a direction normal to the plane of analysis was implicitly taken as infinite (i.e. no variability in the third direction). In this study, a Monte Carlo simulation approach involving generation of sample functions of non-Gaussian, multivariate, multidimensional random fields and non-linear finite element analyses is used to investigate the effects of soil heterogeneity on the liquefaction potential of a ‘stochastically heterogeneous’ soil deposit subjected to seismic loading. To assess the 3D effects, Monte Carlo simulation results obtained for a 3D soil deposit are compared with corresponding results from 2D plane strain analyses. The calculations are performed for a range of seismic acceleration intensities, and the results are presented in terms of fragility curves expressing the probability of exceeding various thresholds in the response as a function of earthquake intensity.

• INTRODUCTION

• ANALYSIS METHOD

• ANALYSIS RESULTS

• CONCLUSIONS

• ACKNOWLEDGEMENTS

• NOTATION

• REFERENCES

Il a été prouvé que la variabilité naturelle des propriétés du sol dans des couches géologiques distinctes et uniformes affectait énormément le comportement du sol et provoquait une variabilité significative de la réponse prévue. Des études précédentes ont conclu que l'homogénéité de petite échelle affectait énormément le potentiel de liquéfaction de dépôts de sol saturé et ces études donnaient des guides afin que la conception géotechnique repré-sente les effets des diverses caractéristiques de variabilité spatiale. Ces études étaient basées sur des analyses bidimensionnelles de liquéfaction de sol (dans un plan vertical) en présupposant un comportement de déformation plane. La distance de corrélation de la variabilité du sol dans une direction conforme au plan de l'analyse a donc été considérée implicitement comme infinie (c'est-à-dire sans aucune variabilité dans la troisième direction). Dans cette étude, nous utilisons une méthode de simulation de Monte Carlo passant par la production de fonctions d'échantillons de champs aléatoires non gaussiens, multivariants et multidimensionnels et d'analyses d'éléments finis non linéaires pour enquêter sur les effets de l'hétérogénéité du sol sur le potentiel de liquéfaction d'un dépô t de sol 'hétérogène sur le plan stochastique'' soumis à une charge sismique. Pour évaluer les effets 3D, nous comparons les résultats des simulations de Monte Carlo obtenus pour un dépô t de sol en 3D avec les résultats correspondants venant d'analyses de déformation plane en 2D. Les calculs sont effectués pour une gamme d'intensités d'accélération sismique et les résultats sont présentés en termes de courbes de fragilité exprimant la probabilité de dépasser divers seuils dans la réponse en tant que fonction de l'intensité du tremblement de terre.