Spatial variability of shear wave velocity: Implications dor the liquefaction response of a case study from the 2010 Maule Mw 8.8 earthquake, Chile.

Abstract

Assessing the potential, severity, and extent of earthquake-induced liquefaction is paramount for seismic hazard assessment, for the large ground deformations it causes can result in severe damage to infrastructure and pose a threat to human lives, as evidenced by many contemporary and historical case studies in various tectonic settings. In that regard, numerical modeling of case studies, using state-of-the-art soil constitutive models and numerical frameworks, has proven to be a tailored methodology for liquefaction assessment. Indeed, these simulations allow for the dynamic response of liquefiable soils in terms of effective stresses, large strains, and ground displacements to be captured in a consistent manner with experimental and in-situ observations. Additionally, the impact of soil properties spatial variability in liquefaction response can be assessed, because the system response to waves propagating are naturally incorporated within the simulations. Considering that, we highlight that the effect of shear wave velocity Vs spatial variability has not been thoroughly assessed. In a case study in Metropolitan Concepción, Chile, our research addresses the influence of Vs spatial variability on the dynamic response to liquefaction. At the study site, the 2010 Maule Mw 8.8 Earthquake triggered liquefaction-induced damage in the form of ground cracking, soil ejecta, and building settlements. Using simulated 2D Vs profiles generated from 1D profiles retrieved with ambient noise methods, along with a PressureDependentMultiYield03 sand constitutive model, we studied the effect of Vs spatial variability on pore pressure generation, vertical settlements, and shear and volumetric strains. Our findings indicate that increased Vs variability reduces the median settlements and strains for soil units that exhibit liquefaction-like responses. On the other hand, no significant changes in the dynamic response are observed in soil units that exhibit non-liquefaction behavior, implying that the triggering of liquefaction is not influenced by spatial variability in Vs. We infer that when liquefaction-like behavior is triggered, an increase of the damping at the shallowest part of the soil domain might be the explanation for the decrease in the amplitude of the strains and settlements as the degree of Vs variability increases.

Cuantificar el potencial, la severidad y la extensión de la licuación inducida por terremotos es fundamental para evaluar la amenaza sísmica. Las grandes deformaciones asociadas a este fenómeno pueden ocasionar daños severos en la infraestructura y representar un riesgo para las vidas humanas, como ha quedado evidenciado en numerosos casos históricos y contemporáneos en diversos entornos tectónicos. En esa línea, el modelamiento numérico de casos de estudio, usando modelos constitutivos de suelo y herramientas numéricas de última generación, ha demostrado ser una metodología adecuada para el estudio de la licuación. Ciertamente, las simulaciones numéricas permiten reproducir la respuesta dinámica de suelos licuables en términos de la generación de tensiones efectivas, largas deformaciones, y desplazamientos de suelo de una manera consistente con observaciones experimentales y de campo. Asimismo, se puede estimar el impacto que tiene la variabilidad espacial de las propiedades del suelo en la licuación, puesto que el modelo incorpora naturalmente la respuesta del medio ante la propagación de ondas sísmicas. Con eso en mente, destacamos que el impacto de la variabilidad espacial de la velocidad de onda de corte Vs en la respuesta a la licuación, no ha sido íntegramente evaluado. En un caso de estudio en el Gran Concepción, Chile, esta investigación se centra en analizar la influencia de la variabilidad espacial de Vs en la respuesta dinámica frente a la licuación. En el sitio, tras el Terremoto del Maule Mw 8.8 de 2010, se evidenciaron efectos de licuación como grietas en el terreno, expulsión de material de suelo, y asentamiento de las estructuras edificadas. Usando perfiles 2D de velocidad generados a partir de perfiles 1D obtenidos con métodos de ruido ambiental, en conjunto con el modelo constitutivo de arenas PressureDependentMultiYield03, estudiamos el efecto que tiene la variabilidad espacial de Vs en la generación de presión de poros, asentamientos verticales, y deformaciones de corte y volumétricas. Nuestros resultados indican que un aumento de la variabilidad espacial de Vs reduce las medianas de los asentamientos y deformaciones para las unidades de suelo que exhiben comportamiento no lineal asociado a licuación. Por otra parte, no se observan cambios significativos en la respuesta de las unidades de suelo que no licuan, lo cual implica que la variabilidad espacial de Vs no influye en el desencadenamiento de la licuación. Inferimos que, cuando existe comportamiento no lineal, un incremento en el amortiguamento de la parte mas superficial del suelo podría ser la explicación de la disminución en la amplitud de deformaciones y asentamientos cuando incrementa la variabilidad de Vs.