Liquefaction Triggering and Deformation Under Mild Static Shear Stress: Insights from Advanced Constitutive Models

ABSTRACT: The static shear stress imposed by sloping ground affects the cyclic resistance of soils to earthquake-induced liquefaction and post-triggering deformation behavior. Traditional liquefaction simplified procedures, as informed by laboratory testing programs, often focus on static shear stresses representative of embankments and dams, with stress levels exceeding ten percent of the initial vertical effective stress. While these conditions are important, they overshadow the more prevalent lower levels of static shear stress associated with mildly sloped terrain. This study evaluates the capability of two state-of-the-art liquefaction constitutive models, SANISAND-MSf v2 and PM4Sand v3.1, implemented in the 2D commercial finite difference program FLAC 9.1, to simulate the effects of low static shear stress magnitudes on liquefaction triggering and strain accumulation. The models were calibrated using a laboratory experimental program on Silica sand, which included cyclic direct simple shear testing with and without static shear stress. The models showed differing responses at the element level, and conclusions are drawn regarding the models’ performance under low static shear stress.

RÉSUMÉ: La contrainte de cisaillement statique imposée par un sol en pente affecte la résistance cyclique des sols à la liquéfaction induite par un tremblement de terre et au comportement de déformation post-déclenchement. Les procédures simplifiées de liquéfaction traditionnelles, telles qu'elles sont informées par les programmes d'essais en laboratoire, se concentrent souvent sur les contraintes de cisaillement statiques représentatives des remblais et des barrages, avec des niveaux de contrainte dépassant dix pour cent de la contrainte effective verticale initiale. Bien que ces conditions soient importantes, elles éclipsent les niveaux plus faibles de contrainte de cisaillement statique plus répandus associés aux terrains légèrement en pente. Cette étude évalue la capacité de deux modèles constitutifs de liquéfaction de pointe, SANISAND-MSf v2 et PM4Sand v3.1, mis en œuvre dans le programme commercial aux différences finies 2D FLAC 9.1, pour simuler les effets des faibles amplitudes de contrainte de cisaillement statique sur le déclenchement de la liquéfaction et l'accumulation de contraintes. Les modèles ont été calibrés à l'aide d'un programme expérimental en laboratoire sur du sable de silice, qui comprenait des essais de cisaillement direct simple cyclique avec et sans contrainte de cisaillement statique. Les modèles ont montré des réponses différentes au niveau de l'élément, et des conclusions sont tirées concernant les performances des modèles sous une faible contrainte de cisaillement statique.