Investigation of Liquefaction Potential and Seismic Response of Gravelly Soils Using Shaking Table Tests

RÉSUMÉ: Des études de cas récentes sur des séismes ont régulièrement signalé la liquéfaction de sols sableux graveleux, comme cela a été observé lors du séisme de Kaikoura en 2016 en Nouvelle-Zélande, et du séisme en mer de Hualien en 2018 à Taïwan. Ces événements ont révélé que la liquéfaction dans les dépôts graveleux entraînait des fissures en surface et des tassements importants, avec l’apparition de fontaines de sable dans certaines zones où des fissures du sol s’étaient formées. Les matériaux expulsés étaient majoritairement des composites sable-gravier. L’évaluation du potentiel de liquéfaction des sols graveleux demeure difficile en raison du besoin d’équipements de laboratoire à grande échelle nécessaires pour réaliser des essais satisfaisants sur des échantillons composés de particules de taille gravier. Par conséquent, le comportement dynamique des sols graveleux reste encore mal compris. Cette étude a examiné les mécanismes complexes de liquéfaction, les réponses sismiques et les propriétés dynamiques des sols graveleux au moyen d’une série d’essais sur table vibrante réalisés sur des composites sable-gravier remaniés et saturés (40 % de gravier et 60 % de sable) provenant de sols prélevés in situ au port de Hualien, à Taïwan. Pour la préparation des échantillons, une technique de pluviation humide a été développée afin de reproduire l’état in situ des sols graveleux tel que rapporté dans le rapport d’investigation de terrain. Les résultats expérimentaux ont montré que les composites sable-gravier présentent un comportement dilatant prononcé sous chargement sismique. Sous des charges sismiques avec une accélération maximale du sol supérieure à 0,2 g, les échantillons ont atteint l’état de liquéfaction, suivi d’une dissipation rapide de la pression interstitielle excédentaire. Ces résultats permettent de mieux comprendre le comportement des sols graveleux en conditions sismiques et fournissent des éléments précieux pour l’évaluation du potentiel de liquéfaction de types de sols similaires.

ABSTRACT: Recent earthquake case histories have consistently reported the occurrence of liquefaction in gravelly sandy soils, as observed during the 2016 Kaikoura Earthquake in New Zealand, and the 2018 Hualien Offshore Earthquake in Taiwan. These events revealed that liquefaction in gravelly deposits resulted in surface cracking and significant settlement, with sand boils occurring in some areas where ground surface cracks formed. The ejected materials were predominantly sand-gravel composites. Evaluating the liquefaction potential of gravelly soils remains challenging due to the availability of large-scale laboratory apparatuses required to perform tests satisfactorily on specimens composed of gravel-sized particles. Consequently, dynamic behavior of gravelly soils remains insufficiently understood. This study investigated the complex liquefaction mechanisms, seismic responses, and dynamic properties of gravelly soils through a series of shaking table tests on remolded saturated sand-gravel composites (40% gravel and 60% sand) derived from in-situ soil collected at Hualien Port, Taiwan. For specimen preparation, a wet pluviation technique was developed to reach the in-situ condition of the gravelly soils as reported from the site investigation report. The experimental results demonstrated that sand-gravel composites exhibit pronounced dilative behaviors during earthquake loading. Under the seismic loading conditions where maximum ground acceleration greater than 0.2 g, the soil specimens reached liquefaction, followed by a rapid dissipation of excess pore water pressure. These findings contribute to a deeper understanding of the behaviors of gravelly soils under seismic conditions and provide valuable insights for assessing liquefaction potential in similar soil types.