Numerical evaluation of the seismic response of potentially liquefiable soils treated with stone columns, accounting for clogging
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Resumen
La licuación de suelos saturados, sueltos y de baja plasticidad durante sismos puede causar una pérdida drástica de rigidez y resistencia, generando asentamientos y deformaciones permanentes. Las columnas de grava se emplean ampliamente como técnica de mitigación mediante densificación, refuerzo y drenaje. No obstante, los métodos de diseño suelen asumir conductividad hidráulica “infinita” en la columna y omiten la disminución de la capacidad de drenaje por migración de finos inducida por el sismo (colmatación), lo cual puede llevar a sobreestimar el desempeño cuando el drenaje es el mecanismo principal. Esta tesis propone una metodología numérica basada en elementos finitos para evaluar la respuesta sísmica de suelos potencialmente licuables mejorados con columnas de grava, incorporando explícitamente la colmatación. La respuesta dinámica se simula en OpenSees utilizando el modelo constitutivo PDMY02, validado mediante la reproducción de ensayos en centrífuga con alta instrumentación (casos con y sin columnas). Además, se adapta e implementa un modelo de migración de partículas dependiente del gradiente hidráulico, validándolo con ensayos a escala real que reportan reducciones de hasta 60% en la conductividad hidráulica de la columna tras la excitación. Con estos componentes validados, se desarrolla un estudio paramétrico variando geometría, propiedades hidráulicas, rigidez del suelo, sobrecarga, presencia de capas superficiales rígidas y diferentes registros sísmicos, evaluando también efectos acumulativos ante sismos sucesivos mediante indicadores como ru, espectros de respuesta y deformaciones. (Texto tomado de la fuente)
Abstract
Soil liquefaction in saturated, loose granular deposits and low plasticity silts can produce severe loss of stiffness and strength during earthquakes, leading to damaging settlements and deformations. Stone columns are widely used to mitigate liquefaction through densification, shear reinforcement, and drainage. However, common design approaches idealize columns as having “infinite” hydraulic conductivity and frequently neglect the reduction of drainage capacity caused by earthquake induced fine particle migration (clogging), which can compromise performance when drainage is the dominant mitigation mechanism. This thesis develops a finite-element-based numerical methodology to evaluate the seismic response of liquefiable soils treated with stone columns while explicitly accounting for clogging. The dynamic response is simulated in OpenSees using the Pressure Dependent MultiYield (PDMY02) constitutive model, with parameters validated through replication of well-instrumented centrifuge experiments on liquefiable soils (including cases with and without stone columns). A hydraulic-gradient-dependent fine-particle migration model is adapted, implemented, and validated against full-scale tests that reported reductions in column hydraulic conductivity of up to 60% after shaking. The validated components are coupled to perform a parametric analysis considering variations in column geometry, hydraulic properties, soil stiffness, surcharge, the presence of rigid surface layers, and different seismic records, and to assess cumulative effects under subsequent earthquakes using response indicators such as pore pressure buildup (ru), acceleration response spectra, and deformations.
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