The effect of gradation on the response of saturated sands when subjected to seismic loading: a centrifuge test

ABSTRACT: The standard of practice when assessing the liquefaction susceptibility of geosystems uses an empirical case history database that was primarily developed for clean, poorly graded sands. However, many geosystems in the built environment are either constructed with or founded on well graded soils, creating a disconnect between the sand encountered in practice and the sand used as the basis of knowledge. Using the 9-m centrifuge at the University of California Davis's Center for Geotechnical Modeling a centrifuge experiment was designed to test the dynamic response of embankments constructed poorly graded and well graded sands at the system level scale. The experiment consisted of two 10-degree slopes, one constructed with a poorly graded sand and the other with a well graded sand positioned side by side in the same model container. Each slope was dry pluviated to the same relative density of Dr=63%, while the absolute densities were different. The slopes were instrumented with dense arrays of pore pressure transducers and accelerometers in the level ground at the head of the slope. The stress-strain behavior between accelerometers was calculated using inverse analysis techniques, providing a 1-D shear-beam soil response at the sensor array location. Liquefaction was triggered, as defined by an excess porewater pressure ratio (ru) of 1.0, but the shear strains at triggering in the well graded sand were significantly less than the strains in the poorly graded sand. During cyclic mobility, strain accumulation in the well graded sand occurred at a slower rate. This study demonstrates that liquefaction triggering and the post-triggering response for saturated sands needs to consider gradation characteristics and clean poorly graded sands cannot act as a single predictor of dynamic response for all sand gradations.

RÉSUMÉ: La pratique standard de l’évaluation de la susceptibilité de liquéfaction des géosystèmes implique l’utilisation d’une base de données historiques tirées de cas empiriques, développée principalement pour des sables fins à granulométrie irrégulière. Toutefois, plusieurs géosystèmes dans l’environnement bâti sont soit construits, soit fondés sur des sables a granulométrie régulière, générant ainsi une incohérence entre le sable trouvé dans la pratique et le sable utilisé comme référence. Une expérience de centrifugation mettant en œuvre la centrifugeuse de 9 m au Davis’s Center for Geotechnical Modeling de l’université de Californie a été conçue afin de tester la réponse dynamique des sables a granulométrie régulière et irrégulière des remblais à l’échelle du système. L’expérience portait sur deux pentes de 10 degrés, l’une construite avec du sable à granulométrie irrégulière et l’autre avec du sable à granulométrie régulière, positionnées l’une à côté de l’autre dans le même contenant. Chaque pente fut constituée par pluviation à sec, de densité relative identique (Dr=63%) et de densités absolues différentes. Les pentes furent équipées d’un réseau dense de transducteurs de pression interstitielle et d’accéléromètres à la tête de la pente et à mi-pente. Le comportement de tension-effort entre les accéléromètres fut calculé au moyen d’une technique d’analyse inverse, fournissant une réponse de cisaillement de poutre en 1D au niveau du réseau. La liquéfaction fut déclenchée dans les deux pentes, selon la définition du taux de pression interstitielle en excès (ru) de 1,0. Mais au moment de déclencher le cisaillement, les efforts dans le sable a granulométrie régulière étaient beaucoup moins importants que dans le sable a granulométrie irrégulière. Durant la mobilité cyclique, l’accumulation de l’effort dans le sable à granulométrie régulière était plus lente que pour le sable à granulométrie irrégulière. La présente étude démontre que la réponse à la liquéfaction et la réponse post-déclenchement pour des sables saturés doivent considérer les caractéristiques de granulométrie et que les sables propres à granulométrie irrégulière ne peuvent pas se comporter comme un prédicateur simple de la réponse dynamique de toutes les granulométries de sable.