Aging Effects on the Relation between Liquefaction Resistance and Shear Wave Velocity in Sand Deposits

Abstract

Although shear wave velocity as an index property can be measured in field at low cost without necessarily drilling boreholes, there are some concerns over its use, mainly because of the liquefaction being associated with medium to large shear strain in contrast to the infinitesimal shear strain involved in the propagation of the shear wave. In spite of such potential shortcoming, there has been a lot of work towards the use of shear wave velocity, attempting to establish some charts correlating the cyclic strength and shear wave velocity. Thus, if there is a link between small-strain shear-wave velocity and medium-to-large strain liquefaction, the use of the shear wave velocity will be justified as an effective tool to assess the liquefaction resistance of in-situ deposits of sandy soils, not only for uncemented soils of Holocene age, but also for cemented soils of Holocene and Pleistocene age. In view of this shortcoming, a newly introduced parameter “cyclic yield strain” is proposed to indicate that shear wave velocity can be used to differentiate between the cyclic resistance of fresh and aged sand deposits. This parameter is defined as the ratio of the cyclic stress ratio required to cause liquefaction in a specified number of cycles to the shear modulus at small strains which are determined by the velocity of shear wave propagation. Large numbers of cyclic triaxial tests were performed on undisturbed and reconstituted samples of sand deposits obtained from areas of known liquefaction at the time of the 2011 Great East Japan Earthquake. In this test scheme, shear wave velocity was measured first in the laboratory, followed by the application of cyclic loads to determine the cyclic shear strength. The undisturbed samples were classified into two groups, namely; old alluvial (or diluvial) deep deposits and near-surface shallow deposits which had apparently been disturbed by the liquefaction in the 2011 event. The data were plotted in terms of the cyclic stress ratio versus the shear wave velocity and a curve of equal cyclic yield strain was drawn through average points in the plot for the two groups of soils, that is, one for undisturbed and the other for liquefaction-disturbed soils. It was found that the cyclic yield strain was larger for the latter type of soils as compared to the undisturbed soils from the old aged deposits. Similar sets of laboratory tests were performed as well on several sand samples reconstituted with different relative densities. Similar plots for these reconstituted samples indicated the same average value of the cyclic yield strain as that of the liquefaction-disturbed soils. In view of the fact that the larger the cyclic yield strain, the more ductile behavior the soils exhibit, and vice versa, it was concluded that the cyclic yield strain could be utilized as a yardstick parameter for taking into account the effect of aging or cementation of sand deposits. Accordingly, it is hypothesized that the cyclic yield strain will take larger values for ductile fresh sand deposits and smaller values for brittle aged sand deposits. It is suggested that two different curves pertaining to new and old sand deposits can be used to correlate the liquefaction resistance and the shear wave velocity in sites of natural deposits in order to consider the effect of aging or cementation. Keywords: Aging, Cyclic yield strain, Liquefaction, Shear wave velocity.

ÖZ: Sismik aktivite olan bölgelerde sıvılaşma potansiyelinin tesbiti geoteknik mühendisleri için önemli bir konudur. Dolayısıyla kumlu zeminlerin çevrimsel kayma mukavemetlerinin tesbiti çok önemlidir. Yöntemlerden biri kayma dalga hızını arazide bazı pratik ve ucuz yöntemlerle sondaj kuyusu kazmadan da ölçmektir. Ancak bu yöntemlerin sıvılaşmanın kayma dalgasının yayılmasından kaynaklanan sonsuz küçük, orta ve büyük kayma gerilimleri ile ilişkili olmasından dolayı bazı dezavantajları vardır. Buna ragmen kayma dalgası hızının kullanılması yönünde, çevrimsel kayma mukavemeti ile kayma dalga hızını ilişkilendirmek amacıyla çok çalışma yapılmıştır. Böylece, kayma dalga hızı ve sıvılaşma arasında fiziksel bir ilişki bularak, kayma dalga hızının etkin bir araç olarak sadece Holocene döneme ait çimentolaşmamış kumlu zeminler değil, Holocene ve Pleistocene dönemlere ait çimentolaşmış kumların da sıvılaşma potansiyeli tesbitinde kullanılabileceği kanıtlanmaya çalışılmıştır. Bu amaç doğrultusunda “çevrimsel akma mukavemeti” adı altında yeni bir parametre önerilerek kayma dalga hızının genç ve yaşlı kum katmanların çevrimsel kayma mukavemetlerinin belirlenmesinde kullanılabileceği belirlenmiştir. Bu parametre sıvılaşmaya neden olan çevrimsel stresle kayma modülünün oranı olarak ifade edilir. 2011 Japon depremi esnasında sıvılaştığı bilinen kumlu zeminler üzerinde bir dizi çevrimsel üç eksenli deney yapılmıştır. Önce kayma dalga hızı ölçülmüş, sonra çevrimsel yükleme ile çevrimsel kayma mukavemeti elde edilmiştir. Örselenmemiş nümuneler eski alüvyonlu derin katmanlar ve yüzeye yakın önceden sıvılaştığı bilinen katmanlar olarak ikiye ayrılır. Elde edilen data çevrimsel kayma mukavemeti vi ve kayma dalga hızı ilişkisi olarak çizilip, iki grup zemin için örselenmemiş ve sıvılaşarak örselenmiş, eşit çevrimsel akma gerilme noktalarından iki eğri çizilerek sunulmuştur. Çevrimsel akma gerilmesi örselenmiş zeminler için örselenmemiş katmanlara göre daha büyük olduğu gözlemlenmiştir. Bir dizi benzer deney tamamen örselenmiş durumdan yeniden oluşturulan nümuneler üzerinde de gerçekleştirilmiştir. Deney sonuçlarından elde edilen eğrilerin, sıvılaşarak örselenmiş nümunelerden elde edilen ortalama çevrimsel akma gerilme değerini verdiği gözlemlenmiştir. Çevrimsel akma gerilmesi arttıkça zeminin davranışı daha sünek olup, bu parametrenin kumlu zeminlerin yaşı ve çimentolanmasına bir ölçek olarak da kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Bu sonuçtan çevrimsel akma gerilmesinin sünek genç kum katmanlar için yüksek, kırılgan yaşlı katmanlar içinse düşük değerler olduğu varsayılabilir. Anahtar kelimeler: Yaşlanma etkisi, çevrimsel akma gerilmesi, sıvılaşma mukavemeti, kayma dalga hızı.