Evaluating the Frequency Dependence of Dynamic Soil Properties in Leda Clays

Heather Crow, Jim Hunter, Giovanni Cascante, Dariush Motazedian

In the proceedings of: GEO2011: 64th Canadian Geotechnical Conference, 14th Pan-American Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, 5th Pan-American Conference on Teaching and Learning of Geotechnical Engineering

Session: Laboratory Testing

ABSTRACT: In Ottawa, Ontario, unusually high amplification ratios have been measured in clayey silts (‚Leda Clays™) at low levels of earthquake-induced ground shaking. However, the contribution of material damping to the overall ground motion at soft soil sites across the city is not well understood. Therefore, low-strain dynamic properties (shear wave velocity and damping characteristics) of Leda Clays were tested in the field and through lab analyses using new and traditional approaches. Downhole seismic testing was carried out in two deep Leda Clay boreholes in the Ottawa area (96m, 54m) using monofrequency seismic signals between 10-100Hz, and two identical downhole triaxial geophones. Interval damping levels ranged from 0.2% to 0.4% between 30m and 90m depth. This indicates that in relatively homogenous Champlain Sea deposits, very little elastic energy is lost at low strains, which contributes significantly to the observed elevated amplifications experienced during small strain earthquakes in the Ottawa area. These results were compared with low-strain laboratory testing carried out on Leda Clay samples using the newly developed non-resonant (NR) approach at the University of Waterloo. The NR method evaluates the frequency dependence of damping and shear wave velocity (Vs) at various strain levels. Ongoing geotechnical research is now evaluating the frequency dependence of dynamic soil properties in Leda Clays at higher strains using the NR technique. These combined results will provide important soil parameters for ground response analyses at soft soil sites in Eastern Canada.

RÉSUMÉ: À Ottawa, en Ontario, des coefficients d'amplification inhabituellement élevés ont été mesurés dans des silts argileux (‚argiles à Leda™) lors de secousses de faible intensité provoquées par un séisme. Cependant, la contribution des matériaux à l™amortissement des secousses sismiques dans des sols meubles, à divers endroits de la ville, n™est pas bien comprise. Par conséquent, les propriétés dynamiques à faible contrainte (vitesse des ondes de cisaillement et caractéristiques d™amortissement) des argiles à Leda ont été testées sur le terrain et par des analyses en laboratoire au moyen de méthodes nouvelles et classiques. Des essais sismiques ont été effectués dans deux puits profonds (96 m, 54 m) dans de l™argile à Leda, dans la région d™Ottawa, en utilisant des signaux sismiques à fréquence unique entre 10 et 100 Hz, ainsi que deux géophones triaxiaux identiques en puits. Les niveaux d™amortissement des intervalles variaient de 0,2 % à 0,4 % à des profondeurs entre 30 m et 90 m. Cela indique que, dans les dépôts relativement homogènes de la Mer de Champlain, très peu d™énergie élastique est perdue dans des conditions de faible contrainte, ce qui contribue de façon importante aux amplifications élevées observées pendant des séismes à faible contrainte dans la région d™Ottawa. Ces résultats ont été comparés à des essais en laboratoire à faible contrainte effectués sur des échantillons d™argile à Leda, au moyen d™une approche de non-résonance (NR) récemment mise au point à l™Université de Waterloo. Cette méthode permet d™évaluer les variations de l™amortissement et de la vitesse des ondes de cisaillement (Vs) en fonction de la fréquence, à divers niveaux de contrainte. Des recherches géotechniques en cours portent sur l™évaluation de la dépendance des propriétés dynamiques du sol en fonction de la fréquence dans des argiles à Leda soumises à de plus grandes contraintes, en utilisant la méthode de non-résonance. Ces résultats combinés fourniront d™importants paramètres du sol en vue d™analyser le comportement des sols meubles à divers endroits de l™Est canadien.

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