Equivalent-Linear and Nonlinear Effective-Stress Analyses for Watermain Seismic Design

Deyab R. Gamal El-Dean

In the proceedings of: GeoVancouver 2016: 69th Canadian Geotechnical Conference

Session: CASE HISTORIES - II Seismic Design Aspects

ABSTRACT: Nonlinear and state-dependant properties of soil are well documented in the literature. However, the estimation of soil performance under seismic loading conditions for practical applications is still an emerging topic. Practitioners tend to use simplified techniques, such as equivalent-linear site response analysis, to determine the ground deformation effects on structures subjected to earthquake loading. These techniques have several limitations when applied to high seismicity regions due to the high dependency of soil behaviour on plastic properties of soil. The more advanced soil models, such as effective-stress models, provide more accurate methodologies for enhancing the design of structures for a specific seismic performance level. These models require more soil parameters, a higher level of expertise, more time to model and compute. Consequently, they also entail a higher upfront cost for the project. Both techniques were used in this study to assess the performance of the liquefiable foundation soil of a large-diameter watermain located in the high seismicity region of the west coast of Canada. This paper presents results of the equivalent-linear (i.e., SHAKE) and nonlinear effective-stress analyses conducted using constitutive models UBCSAND and PM4SAND, and provides comparisons between the estimated values obtained from these approaches.

RÉSUMÉ: Propriétés non linéaires et dépendant de l'état du sol sont bien documentés dans la littérature. Cependant, l'estimation de la performance du sol dans des conditions de chargement sismiques pour des applications pratiques est encore un sujet émergent. Les praticiens ont tendance à utiliser des techniques simplifiées, telles que l'analyse de réponse de site équivalent-linéaire, pour déterminer les effets de déformation du sol sur les structures soumises à des charges sismiques. Ces techniques ont plusieurs limites lorsqu'il est appliqué aux régions à forte sismicité en raison de la forte dépendance du comportement du sol sur les propriétés plastiques du sol. Les modèles de sol plus avancés, tels que des modèles efficaces-stress, fournissent des méthodologies plus précises pour l'amélioration de la conception des structures pour un niveau spécifique de performance sismique. Ces modèles nécessitent plus de paramètres du sol, un niveau plus élevé d'expertise, plus de temps pour modéliser et calculer. Par conséquent, ils entraînent aussi un coût initial plus élevé pour le projet. Les deux techniques ont été utilisées dans cette étude pour évaluer la performance du sol de fondation liquéfiable d'une conduite de grand diamètre situé dans la région de haute sismicité de la côte ouest du Canada. Ce document présente les résultats de l'équivalent-linéaire (SHAKE) et efficace stress non linéaire analyses effectuées en utilisant des modèles de comportement UBCSAND et PM4SAND, ainsi que des comparaisons entre les valeurs estimées obtenues à partir de ces.

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