Article de recherche / Research Article

Design guidelines for lattice-type soil improvement with deep mixing for liquefaction mitigation: Coulomb Conference 2024

Recommandations pour l’amélioration des sols à base de caissons en sol mixing en vue du traitement contre la liquéfaction: Conférence Coulomb 2024

¹ AP Consultant, 7 rue Marguerin, 75014 Paris, France
² École Nationale des Ponts et Chaussées, Institut Polytechnique de Paris, 6-8 avenue Blaise Pascal, Champs-sur-Marne, 77455 Marne-la-Vallée, France

^* e-mail: alain.pecker@orange.fr

Abstract

One of the most dramatic causes of structural damage during earthquakes is the occurrence of liquefaction in loose saturated sand deposits. Several techniques have been developed for mitigation of liquefaction hazard in seismic areas which, for some of them, rely on design methodologies, validated through observations of improved soils during earthquakes. A specific form of soil mixing improvement, the lattice-type technique (DSM lattice), is the focus of this paper. One example is the Oriental Hotel in Kobe, Japan, which experienced the Yogo-ken-Nambu earthquake in 1995. A visual inspection after the earthquake revealed no damage to the piles, although significant lateral sliding of the soil towards the sea caused severe damage to the quay walls. Due to the limited number of existing design guidelines and shortcomings in recent studies, a research programme involving centrifuge testing and advanced numerical analyses was launched by the Fédération Nationale des Travaux Publics (FNTP) and Soletanche–Bachy (SB) to develop design recommendations for this technique. To this end, a different from the state-of-the-art approach is implemented to evaluate the liquefaction potential based on a strain-based methodology: the criterion for liquefaction triggering is formulated in terms of cyclic strain and the average strain induced within the cells of the DSM lattice is computed from parametric dynamic analyses considering a nonlinear constitutive behaviour for the soil. Based on these numerical computations a relationship relating the average strain induced within the cells of the DSM lattice to the geometric parameters of the DSM lattice, soil properties, parameters of the input motion and freefield induced shear strain is developed. This strain is compared to the liquefaction triggering strain to assess the effectiveness of the soil improvement.

Résumé

L’une des causes les plus graves de dommages aux structures lors des séismes est la survenue de liquéfaction dans les dépôts de sable meuble saturé. Plusieurs techniques ont été développées pour atténuer le risque de liquéfaction dans les zones sismiques, certaines reposant sur des méthodologies de conception, validées par des observations lors de séismes sur des sols améliorés. Un cas particulier d’amélioration est basé sur une technique d’amélioration de sols à base de caissons en sol mixing (caisson DSM), qui est le sujet de cet article. Un exemple est l’hôtel Oriental à Kobe (Japon), qui a subi le tremblement de terre de Yogo-ken-Nambu en 1995 pour lequel l’inspection visuelle après séisme n’a révélé aucun dommage aux pieux, bien qu’un glissement latéral important du sol vers la mer ait causé de graves dommages aux murs du quai. Motivé par le nombre limité de guides de conception existants et les limites des études récentes, un programme de recherche basé sur des essais expérimentaux en centrifugeuse et des analyses numériques avancées a été lancé par la Fédération Nationale des Travaux Publics (FNTP) et Soletanche–Bachy (SB) pour développer des guides de conception pour cette technique. À cette fin, une approche différente de l’état de l’art est mise en œuvre pour évaluer le potentiel de liquéfaction basé sur une méthodologie reposant sur la déformation: le critère de déclenchement de la liquéfaction est formulé en termes de déformation cyclique et la déformation moyenne induite dans les cellules du réseau DSM est calculée à partir d’analyses dynamiques paramétriques considérant un comportement constitutif non linéaire du sol. Sur la base de ces calculs numériques, une relation reliant la déformation moyenne induite dans les cellules du réseau DSM aux paramètres géométriques du réseau DSM, propriétés du sol, paramètres du mouvement d’entrée et déformation de cisaillement induite en champ libre est développée. Cette déformation est comparée à la déformation de déclenchement de la liquéfaction pour évaluer l’efficacité de l’amélioration du traitement de sol.