AVALIAÇÃO E MITIGAÇÃO DO POTENCIAL DE LIQUEFAÇÃO NA ZONA DO TERREIRO DO

PAÇO EM LISBOA

F.M. Salgado, LNEC

Terreiro do Paço, Lisboa em 2012

Terreiro do Paço, Lisboa em 2000

Interface do Terreiro do Paço

Sistema de recetores da Simtejo

Túnel do Metropolitano de Lisboa no Terreiro do Paç o

� Introdução � Avaliação do potencial de Liquefação e de

Mobilidade cíclica� Consequências de liquefacção : � Parâmetros de rigidez e de resistência para análises

de estabilidade � Métodos de análises de estabilidade � Conclusões

Túnel do Metropolitano de Lisboa no Terreiro do Paç o

Lisboa no passado

1755: Lisboa foi devastada por um terramoto de grande intensidade (M≈ 8)

1755

2008

�Avaliação do potencial de liquefação e de mobilidade cíclica

� Estudos in situ

tunnel

� Caracterização geológica-geotécnica

Perfil longitudinal passando pelo eixo do túnel (V.J. & C.M., FERCONSULT 2002) editado por Salgado (2008)

tunnel43

4

� Principais preocupações:a) Mobilidade cíclica ou liquefação (?) - soils 3 & 4; b) Liquefação ? - soil 5

tunnel34

A B D C

4

Solo 5 – aluviões arenosasSolos 3 e 4 – aluviões argilosas

� Principais preocupações:a Mobilidade cíclica ou Liquefação solos ? Solos 3 e 4b) liquefação ? solo 5

tunnel

� Estudos in situ e em laboratório

Detail of section B (Offshore)In situ : SPT; Vane; CPTU; CH-VSLaboratory : Index and grain size testing; Resonant column, Cyclic hollow cylinder ; static, dynamic and post-dynamic simple shear testing.

Gravel piles

AB

DC

� Mobilidade cíclica / Liquefação ?

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 10 20 30 40 50 60 70

Cla

y Fr

acti

on

(%

fin

er

than

0.0

05

mm

)

Liquid Limit, LL

Chinese Criteria

(a1)sup - soil 3 (a2)sup - soil 4

(a1)inf - soil 5 (a2)inf - soil 6

LL=35% (%<0.005mm)=15%

LL<35% and W>0.9 LLand Clay fraction <15%(Seed and Idriss 1982)

Boulanger & Idriss (2006)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 20 40

De

pth

(m

)

Plasticity Index, PIsoil 3 - (a1)sup

(IP=16.3)

Soil 4 - (a2)sup

(IP=13.5)

Soil 5 - (a1)inf

(IP=3.3)

Soil 6 - (a2)inf

(IP=14.2)

No Liquefaction

IP>7%

(Boulanger and

Idriss, 2006)

� Mobilidade cíclica / Liquefação

0

10

20

30

40

0 20 40

De

pth

(m

)

Plasticity Index, PISection A

0

10

20

30

40

50

0 20 40D

ep

th (

m)

Plasticity Index, PI Section B

0

10

20

30

40

50

0 20 40

De

pth

(m

)

Plasticity Index, PISection D

0

10

20

30

40

0 20 40

De

pth

(m

)

Plasticity Index, PISection C

(a1)sup (PI=14.0)

(a2)sup (PI=19.9)

(a1)inf (PI=5.0)

(a2)inf (PI=14.2)

PI=7%

10 m (*) 8.5 m (*) 6.0 m (*) 1.0 m (*)

(*) Espessura da aluvião potencialmente liquefável

�Mobilidade cíclicaA maior preocupação era analisar a possível

degradação da rigidez e da resistência dos solos 3 e 4 com a ação sísmica:

�Ensaios de corte simples estáticos, cíclicos e pós-ciclicos foram executados em amostras indeformadas obtidas na vizinhança do túnel.

�Os resultados indicaram não haver redução de rigidez nem de resistência. Nalguns casos observou-se o aumento da rigidez.

�Contudo, mesmo assim, podem desenvolver-se deslocamentos por Mobilidade cíclica da ordem dos 27 cm

Mobilidade cíclica

�Avaliação do potencial de liquefação:

CSR . FSL ≥≥≥≥ CRR (1)where:

CSR = ττττav/σσσσvo ' = cyclic stress ratio (2)and, τav= average cyclic shear stress mobilized by the seismic actionand σvo' = effective vertical stress before the seismic action.FSL = factor safety against liquefactionCRR= CRR7.5 . MSF . Kαααα . Kσσσσ (3)where:

CRR7.5 = cyclic resistance ratio correspondent to anearthquake with magnitude, M = 7.5MSF = magnitude scaling factorKα = static shear stress correction factorKσ = overburden correction factor

Following State of the Art procedures (*),

(*) Summary report from the 1996 NCEER and 1998 NCEER/ NSF Workshops on evaluation of liquefaction resistance of soils. Journal of geotechnical and Geoenvironmental engineering, October 2001 (Youd et al. ,2001).

� Estimativas de CSR e CRR� Seismic action – EC8 (Bilé Serra, LNEC, 2002)

Seismic action type 1 faraway source; amax=160 cm/sec2M = 8 10 artificial records; duration = 30 sec

Seismic action type 2nearby source; amax=269 cm/sec2M=5.910 artificial records ;duration = 10 sec

� Estimativas de CSR e CRRCSROne dimensional dynamic analysis using thecomputer code SHAKE 91 (Idriss and Sun,1991, after Schnabel et al., 1972) were carriedout to estimate CSR

CRRThe empirical approaches recommended byYoud et al (2001) using SPT data (modifiedfrom Seed et al., 1985), CPT data (Robertsonand Wride, 1998) were followed.

0250500750

1000

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0Vs

(m/s

ec)

Elevation (m)

CH-S404CPTU1R

Vucetic and Dobry (1991)

� Estimativas deCSR

Laboratory testing was carried out to confirm Vucetic and Dobry (1991) curves

Resonant column and cyclic torsion tests were carried out (Santos and Lopes, IST (2001)

� Estimativas de CSRValores de velocidades de ondas de corte foram registadas in situ (CH) e também estimadas dos resultados dos ensaios (CPTU) (Salgado, 2008)

0100200300400500600700800

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0

FC

(%)

e V

s (m

/sec

)

COTA (m)

TERREIRO DO PAÇO - CPTU1R

FC>35% FC≤35% Vs Vs av. CH-Vs

Section B

� Estimativas de CRRCRR= CRR7.5 . MSF . Kα . Kσ

EC8 endorses Ambraseys (1985)proposal

The Lisbon Metro blue line analysis used Idriss proposal (Youd et al. 2001)

� Estimativas de CRRCRR= CRR7.5 . MSF . Kαααα . KσσσσKαααα= 1 (the static shear stresses are low)

Kσ = ((σvo’/Pa) f-1

Proposed by Hynes and Olsen (1999) and endorsed by Youd et al. (2001)

A value for f = .75 was considered in the analysis and corresponds to the relative density, Dr≈50%, (N1)60cs ≈12.3, of the alluvium soil nº 5.

Note: EC8 proposes CRR = CRR7.5 . MSFand omits Kαααα . Kσσσσ

� Zonas com potencial para liquefação:

00.05

0.10.15

0.2

-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10CS

R a

nd C

RR

ELEV (m)

Sec.A (tunnel): CSR&CRR

CSR (shake)

S402

S403

SDG4

CPTU3

00.10.20.30.4

-40 -35 -30 -25 -20CS

R a

nd C

RR

Elev(m)

Sec.B (tunnel): CSR&CRRCSR(from SHAKE)S404

S405

SDG3

VS-NSPT

VS404

00.10.20.3

-40 -35 -30 -25 -20CS

R a

nd C

RR

ELEV (m)

Sec.D (tunnel): CSR & CRRCSR (shake)

S406

S407

SDG5

vs-Nspt

VS406

CPTU2

00.05

0.10.15

0.20.25

-33 -32 -31 -30 -29 -28CS

R a

nd C

RR

Elev (m)

Sec.C (tunnel): CSR&CRR

CSR (shake)

CPTU4

�Consequências de Liquefação (?)

�nota: este assunto está omisso no EC8 e no NCEER/NSF

� Consequências de liquefação ?

tunnel

� Consequências de Liquefação?

� Consequências de Liquefação ?

-30-20-10

01020

0 500 1000 1500 2000 2500Ave

rage

slo

pe(%

) and

E

leva

tiom

(m)

Distance from crest of slope (m)

Geometry of bottom river Tejo

elevation

average slope%

Zone of influence of movements and average slope = 6%

� Métodos empíricos e semi-empíricos

Hamada et al. (1986): (1)

D = 0.75 x T 1/2 θ 1/3

Youd et al. (2002): (2)

log Dh = -16.213+1.532 M-1.406 log R*

-0.012 R+0.338 log S+0.540 logT+3.413

x log (100-F)-0.795 log (D50+0.1 mm) where: R* = (10 (0.89M-5.64))+R; (R=Req.)

Shamoto et al. (1998): (3)

Dh= Ch x (Dh)max. = Ch x ∫ (γr)max dzwhere: Ch=1 (water front) and(Dh)max is

assumed = ((γr)max)av x T

Section T (m) FC(%)

D50(mm)

Residual shear

strain(%)

(N1)60cs

A 10.0 22.0 .168 24.1 12.2

B 8.5 28.5 .125 22.8 12.6

D 6.0 23.0 .160 24.8 12.0

C 1.0 26.0 .139 21.3 13.1

Predictions of Post-Liquefaction Displacements by Simplified Models

0

1

2

3

4

5

100 150 200 250 300

Tunnel Ring nº

Hor

izon

tal P

ost-l

ique

fact

ion

Dis

plac

emen

t (m

eter

)Hamada et al.(1986)

Youd et al. (2002)

Shamoto et al. (1998)

T is the thickness of the liquefiable deposit; (N1)60cs the average equivalent clean sand normalized value of SPT;((γr) max) av is Shamoto’s correspondent average maximum residual shear strain; The average slope, θ, is 6%;The maximum base acceleration, (ab)max, is .163g; The earthquake magnitude, M, is equal to 8;The equivalent source distance, Req, is estimated to be 55 Km (Youd et al, 2002).

01020304050607080

0,01 0,1 1 10Fin

es C

onte

nt, F

C, (

%)

Mean grain size, D50, (mm)

Terreiro do Paço Tunnel and Station: FC versus D50 (50 SPT soil samples)

Tunnel - Section A

Tunnel - Section B

Tunnel - Section D

Metro Station

Youd's boundary(2002)

31

� Métodos empíricos e semi-empíricos

Hamada et al. (1986): (1)

D = 0.75 x T 1/2 θ 1/3

Youd et al. (2002): (2)

log Dh = -16.213+1.532 M-1.406 log R*

-0.012 R+0.338 log S+0.540 logT+3.413

x log (100-F)-0.795 log (D50+0.1 mm) where: R* = (10 (0.89M-5.64))+R; (R=Req.)

Shamoto et al. (1998): (3)

Dh= Ch x (Dh)max. = Ch x ∫ (γr)max dzwhere: Ch=1 (water front) and(Dh)max is

assumed = ((γr)max)av x T

Section T (m) FC(%)

D50(mm)

Residual shear

strain(%)

(N1)60cs

A 10.0 22.0 .168 24.1 12.2

B 8.5 28.5 .125 22.8 12.6

D 6.0 23.0 .160 24.8 12.0

C 1.0 26.0 .139 21.3 13.1

Predictions of Post-Liquefaction Displacements by Simplified Models

0

1

2

3

4

5

100 150 200 250 300

Tunnel Ring nº

Hor

izon

tal P

ost-l

ique

fact

ion

Dis

plac

emen

t (m

eter

)Hamada et al.(1986)

Youd et al. (2002)

Shamoto et al. (1998)

T is the thickness of the liquefiable deposit; (N1)60cs the average equivalent clean sand normalized value of SPT;((γr) max) av is Shamoto’s correspondent average maximum residual shear strain; The average slope, θ, is 6%;The maximum base acceleration, (ab)max, is .163g; The earthquake magnitude, M, is equal to 8;The equivalent source distance, Req, is estimated to be 55 Km (Youd et al, 2002).

32

Comentários:1) Estimativas dos métodos empíricos e semi-empíricos ficam entre 0,5 a 2,0 dos deslocamentos observados (Youd et al. 2002) Onder Cetin et al. 2004), Zhang et al. 2004);2) Os métodos empíricos e semi-empíricosnão consideram as cargas dos edificios adjacentes (BL)

Análises simplificadas dinâmicas de “Bloco”Resistência pós-liquefação

�Byrne and Beaty (1999) • Olson and Stark (2002)

33

Section Tunnel Tower/crest

(N1)

60cs

(N1)

60

(N1)

60cs

(N1)

60

A 12.2 7.1 17.3 13.1

B 12.6 6.4 14.8 12.3

D 12.0 6.9 17.4 13.0

C 13.1 7.8 14.3 12.4

(Sr/σvo’) = (Sr/σvo’)1 x Kσ* (Byrne and Beaty, 1999)Kσ* ≈ Kσ = ((σvo’/Pa) f-1 ; with f=0.75 (Hynes and Olsen, 1999)

� Valor limite de distorção pós-liquefação, includindo dados de Seed et al. (1985)

Parâmetro Mod. Newmark-

1

Mod. Newmark-

2

Mod. Newmark-

3

Resistência residual

Mod.*Idriss

(1998)

Mod. *Seed and

Harder Lower bound (1990)

Average of Olson and

Stark (2002)

Valor limite de

distorção pós

liquefação

Average of Seed et al.

(1985)

Upper bound of

Seed et al. (1985)

Upper bound of

Seed et al. (1985)

(N1)60cs versus Limiting Shear Strain

0

10

20

30

40

50

60

0 10 20 30 40 50

(N1)60cs

Lim

iting

She

ar S

trai

n (%

)

Seed's Lower bound

Seed's Upper bound

Shamoto et al.(1998)

Zhang et al.(2004)

Byrne (1991)

Upper S.F.Dam

Lower S.F.Dam

Duncan Dam

� Opções de tensão-deformação consideradas nas análises(Salgado, 2005)

* Byrne and Beaty (1999)

36

• Resultados considerando as cargas dos edifícios > 0 (BL>0)

(Sec. A - BL=127.5 kPa, Sec. B - BL=200 kPa)

FS=Factor Safety against slidingay = Yield acceleration

35

Sec. Mod. Newmark-1

Mod. Newmark-2

Mod. Newmark-3

FS a y FS a y FS ay

A 3.39 .073 2.62 .049 2.01 .032

B 3.81 .097 3.24 .062 2.62 .045

D 3.63 .073 2.79 .050 2.68 .046

C 3.85 .102 3.22 .079 2.69 .060

Sec. Mod. Newmark-1

Mod. Newmark-2

Mod. Newmark-3

FS ay FS ay FS ay

A 1.98 .053 1.55 .029 1.19 .011

B 1.60 .049 1.40 .032 1.22 .018

Predictions of Post-Liquefaction displacements by simplified models (BL>0)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

100 150 200 250 300

Tunnel Ring nº

Hor

izon

tal P

ost-l

ique

fact

ion

Dis

plac

emen

t (m

eter

)

Hamada et al.(1986)

Youd et al. (2002)

Shamoto et al.(1998)

Mod.New mark-1(Mod.Idriss(1998);av. Seed et al(1984)

Mod. New mark-2 (low boundSeed & Harder (1990)- upperbound Seed et al.(1984))

Mod.New mark-3 (av.Olson&Stark(2002)-upperbound Seed et al. (1984))

Predictions of Post-Liquefaction displacements by simplified models (BL=0)

0

1

2

3

4

5

100 150 200 250 300

Tunnel Ring nº

Hor

izon

tal P

ost-l

ique

fact

ion

Dis

plac

emen

t (m

eter

)

Hamada et al.(1986)

Youd et al. (2002)

Shamoto et al.(1998)

Mod.New mark-1(Mod.Idriss(1998);av. Seed et al(1984)

Mod. New mark-2 (low boundSeed & Harder (1990)- upperbound Seed et al.(1984))

Mod.New mark-3 (av.Olson&Stark(2002)-upperbound Seed et al. (1984))

� Resultados considerando as cargas dos edifícios = 0 ( BL=0)

Resultados de análises de Elementos Finitos Pseudo-Dynâmicas

36

Para calcular deslocamentos pós-liquefação em locais “cha ve” como otúnel e o Torreão da Marinha, foi necessário efetuar análise s de ElementosFinitos uilizando o método Pseudo-Dinâmico seguindo os pro cedimentosdesenvolvidos por Byrne, Salgado and Jitno (1992).

Finite Element Pseudo-Dynamic Results (BL=0)

0

1

2

3

4

5

6

100 200 300

Tunnel ring nº

Pos

t-liq

uefa

ctio

n di

spla

cem

ents

(m

eter

)

Hamada et al. (1986)

Youd et al. (2002)

Shamoto et al. (1998)

Finite Element-1 Pseudo-dynamic

Finite Element-2 Pseudo-dynamic

Finite Element-3 Pseudo-dynamic

Comparison between Finite Element Pseudo-Dynamic and Dynamic Block analysis results

0

1

2

3

4

5

6

7

8

100 150 200 250 300

Tunnel ring nº

Pos

t-Liq

uefa

ctio

n D

ispl

acem

ents

(m

)

Finite Element-3Pseudo-dynamic

Finite Element-2Pseudo-dynamic

Finite Element-1Pseudo-dynamic

Mod. New mark-3Dynamic model

Mod. New mark-2Dynamic model

Mod. New mark-1Dynamic model

BL=0 BL>0

� Consequências de Liquefação e de Mobilidade cíclica?

Liquefação

Mobilidade cíclica

Deslocamentos de 2,26 m (H) e - 0,09 m (V) na zona do túnel e de cerca dos 2,15 m (H) e - 0,99 m (V) na zona do Torreão da Marinha

Deslocamentos de 0,27 m (H) e 0,13 m (V) na zona do túnel e de cerca dos 0,22 m (H) e - 0,15 m (V) na zona do Torreão da Marinha

Zona tratada

túnelTorreão da Marinha

Decisão de activar medidas mitigadoras – Reforço do solo

• Sem Tratamento

(Section B - scale exaggeration = 3)

• Com tratamento

(Section B - scale exaggeration =5)

(*) γcu = 1.4; γ φ' = 1.25

(**) exceto para o solo tratado , em que, γcu = 1.4

37

Eurocode 8Coeficientes parciais (*)

Percentagem de tratamento (%) – Section B(assumindo a resistência do jet grout=3.65 MPa)

Opção 1

(Mod. Idriss)

Opção 2

(Mod. Seed and

Harder)

Opção 3

(Olson and Stark)

ON (>1) (*) 7.00 7.35 7.67

OFF (=1) (**) 5.60 5.96 6.32

Decisão de activar medidas mitigadoras – Reforço do solo

• Com tratamento

(Section B - scale exaggeration = 3)

• Sem tratamento

(Section B - scale exaggeration =5)

(*) γcu = 1.4; γ φ' = 1.25

(**) except for treated soil, where γcu = 1.4

39

Eurocode 8Partial Factors

of Safety

Custo do tratamento (milhões de Euros)(assuming shear resistance of jet grout=3.65 MPa)

Option-1

(Mod. Idriss)

Option-2 (Mod.

Seed and Harder)

Option-3

(Olson and Stark)

ON (>1) (*) 4.55 4.80 5.00

OFF (=1) (**) 3.65 3.90 4.10

Decisão de activar medidas mitigadoras – Reforço do solo

� Baseado nos estudos do LNEC a Administração do Metropolitano deLisboa, ML, decidiu investir 5 milhões de Euros para efectuar otratamento de solos.

� Uma Comissão técnica constituída pelos Professores AntónioMineiro (UNL), Emanuel Maranha das Neves (IST) and MatosFernandes (FEUP), foi constituída para em conjunto com o LNECdesenvolver o projeto de execução correspondente ao tratamentode solos na zona envolvente ao túnel do Metropolitano de Lisboa eao Torreão da Marinha.

� O tratamento de solos terminou em Agosto de 2007 utilizandocolunas de Jet Grout de 2,0 m de diâmetro e estacas de betãoarmado com diâmetros de 1,2 e 1, 4 m .

40

CONCLUSÕES

• Este estudo realça que à data não existem, no Eurocódigo 8

ou noutro código internacional, recomendações para avaliar

as consequências do fenómeno de liquefação.

• O estudo também mostra que a utilização de modelos

empíricos e semi-empíricos, fundamentados em casos

históricos, foram fundamentais para ganhar a confiança

necessária na utilização do método de Elementos Finitos

seguindo o procedimento Pseudo-Dinâmico, assim como, a

confiança política pela Administração do Metropolitano de

Lisboa para mandar efectuar o tratamento de solos na zona

do Terreiro do Paço.

41

Francisco Salgado, LNEC

Obrigado