Πειραματικός Προσδιορισμός της Εδαφικής Επιτάχυνσης σε Θέση Ρευστοποίησης με Βάση την Παρατηρηθείσα Συμπεριφορά Experimental Determination of Ground Acceleration at Liquefaction Site Based on Observed Behavior ΜΠΑΤΙΛΑΣ, Α.Β. ΠΕΛΕΚΗΣ, Π.Κ. ΒΛΑΧΑΚΗΣ, Β.Σ. ΑΘΑΝΑΣΟΠΟΥΛΟΣ, Γ.Α. Πολιτικός Μηχανικός, Διδακτορικός Φοιτητής, Π.Π. Πολιτικός Μηχανικός, Αναπληρωτής Καθηγητής, Α.Σ.ΠΑΙ.Τ.Ε Πολιτικός Μηχανικός, Διδακτορικός Φοιτητής, Π.Π. Πολιτικός Μηχανικός, Καθηγητής, Π.Π. ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Το περιστατικό εδαφικής ρευστοποίησης στην παραλιακή ζώνη της Κάτω Αχαΐας κατά το σεισμό της Αχαΐας-Ηλείας (8 Ιουνίου 2008) θεωρείται γενικά καλά τεκμηριωμένο, με εξαίρεση το γεγονός ότι δεν είναι διαθέσιμη η μέγιστη τιμή της επιφανειακής επιτάχυνσης, a g, από ενόργανη καταγραφή. Στο παρόν άρθρο παρουσιάζονται αποτελέσματα δοκιμών σεισμικής τράπεζας στις οποίες προσομοιώνεται η παρατηρηθείσα συμπεριφορά (ανατροπή) ενός πλαστικού βαρελιού γεμάτου με νερό, και εδραζόμενου στην επιφάνεια του εδάφους, σε μικρή απόσταση από τη θέση ρευστοποίησης. Με βάση τις δοκιμές συμπεραίνεται ότι μπορεί να ληφθεί a g 0.18g. ABSTRACT : Τhe case history of soil liquefaction in the coastal zone of Achaia-Ilia 8 June, 2008 earthquake is considered a well documented case, except for the fact that there has been no local recording of ground acceleration, a g. In this paper results are presented of shaking table tests simulating the observed behavior (overturning) of a plastic barell, filled with water and sitting in the vicinity of liquefied site. Based on the experimental results it is concluded that the maximum value of ground acceleration can be taken as a g 0.18g. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Ο σχεδιασμός γεωτεχνικών έργων σε θέσεις ρευστοποιήσιμων εδαφών περιλαμβάνει μεταξύ των απαραίτητων ελέγχων τον έλεγχο επικινδυνότητας εδαφικής ρευστοποίησης. Ο έλεγχος αυτός (εκτός των περιπτώσεων των μεγάλων έργων) πραγματοποιείται με βάση καθιερωμένες εμπειρικές (πιθανοτικές ή αιτιοκρατικές) συσχετίσεις, λαμβάνοντας υπόψη την αντίσταση του εδάφους σε δοκιμές διείσδυσης (SPT, CPT) ή την ταχύτητα διάδοσης των εγκαρσίων σεισμικών κυμάτων, V s, στο έδαφος. Οι ανωτέρω εμπειρικές συσχετίσεις βασίζονται σε βάσεις δεδομένων (π.χ. Cetin et al., 2004; Moss et al., 2006; Kayen et al., 2013) που έχουν αναπτυχθεί σταδιακά με τη συγκέντρωση και ανάλυση μεγάλου αριθμού περιστατικών ρευστοποίησης. Για την ένταξη ενός περιστατικού ρευστοποίησης στις ανωτέρω βάσεις δεδομένων είναι αναγκαία πλήρης τεκμηρίωση (Boulanger and Idriss, 2012), η οποία περιλαμβάνει 1) την παρατηρηθείσα συμπεριφορά του εδάφους (και γειτονικών κατασκευών), 2) τα εδαφικά χαρακτηριστικά (π.χ. αριθμός κτύπων N SPT, αντίσταση αιχμής, q c, της δοκιμής διείσδυσης κώνου, την τιμή V s ) και 3) την τιμή της μέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης, a g, στη θέση ρευστοποίησης. Με βάση όσα αναφέρθηκαν ανωτέρω 1) γίνεται φανερή η μεγάλη χρησιμότητα και σπουδαιότητα της δημοσίευσης καλά τεκμηριωμένων περιστατικών εδαφικής ρευστοποίησης, και 2) γίνεται κατανοητό ότι κάθε νέα ένταξη περιστατικού ρευστοποίησης (και κυρίως οριακής ρευστοποίησης) στις αντίστοιχες βάσεις δεδομένων συνεισφέρει στην
βελτίωση των υφιστάμενων εμπειρικών συσχετίσεων. Στο παρόν άρθρο εξετάζεται ένα σχετικά πρόσφατο περιστατικό ρευστοποίησης στον Ελληνικό χώρο που προκλήθηκε από το σεισμό της Αχαΐας-Ηλείας (2008), και επιχειρείται η βελτίωση της τεκμηρίωσής του διαμέσου πειραματικού προσδιορισμού της (μη-διαθέσιμης από καταγραφές) μέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης στη θέση εκδήλωσης του φαινομένου. 2. ΕΔΑΦΙΚΗ ΡΕΥΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΣΤΗΝ ΚΑΤΩ ΑΧΑΪΑ (8-6-2008) Το περιστατικό ρευστοποίησης που εξετάζεται στο παρόν άρθρο (το οποίο περιλαμβάνει δύο γειτονικές θέσεις: μία με εκτεταμένη ρευστοποίηση και μία με οριακή ρευστοποίηση) παρατηρήθηκε στην παραλιακή ζώνη της Κάτω Αχαΐας, Σχήμα 1, κατά το σεισμό της Αχαΐας- Ηλείας M w 6.4, 8 Ιουνίου 2008 (Margaris et al., 2010). Η παρατηρηθείσα εδαφική συμπεριφορά περιλαμβάνει τη δημιουργία ευμεγέθων κρατήρων, εκτίναξη εδαφικού υλικού και πλευρική εξάπλωση προς τη κατεύθυνση της ακτογραμμής, Σχήμα 2 (Batilas et al., 2014). Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η μαρτυρία του ιδιοκτήτη της οικοπεδικής έκτασης στην οποία παρατηρήθηκε εκτεταμένη ρευστοποίηση, ότι κατά τη διάρκεια του κύριου σεισμικού κραδασμού, ένα ακάλυπτο πλαστικό βαρέλι γεμάτο με νερό (εδραζόμενο στην επιφάνεια οριζόντιου εδάφους, σε μικρή απόσταση από τη θέση ρευστοποίησης) ανατράπηκε όπως φαίνεται στη φωτογραφία του Σχήματος 3. Επίσης, σύμφωνα με τη μαρτυρία του ιδίου ιδιοκτήτη ήταν αδύνατη η παραμονή ανθρώπων σε όρθια (αλλά και καθήμενη) στάση κατά τη διάρκεια του κύριου σεισμού. Στο παρόν άρθρο αξιοποιείται η ανωτέρω παρατηρηθείσα συμπεριφορά του πλαστικού βαρελιού για την εκτίμηση του κάτω ορίου της εδαφικής επιτάχυνσης που αναπτύχθηκε στη θέση ρευστοποίησης. Σημειώνεται ότι στις θέσεις ρευστοποίησης της Κάτω Αχαΐας είναι διαθέσιμα αποτελέσματα δειγματοληπτικών γεωτρήσεων, επι-τόπου δοκιμών SPT και CPT καθώς και μετρήσεων της ταχύτητας διάδοσης εγκαρσίων σεισμικών κυμάτων, V s -βάθος (Batilas et al., 2014). Το συγκεκριμένο περιστατικό έχει ήδη συμπεριληφθεί στην παγκόσμια βάση δεδομένων (Kayen et al., 2013) που αφορά θέσεις ρευστοποίησης με γνωστή κατανομή της ταχύτητας V s με το βάθος. Overturned plastic water container Σχήμα 1. Δορυφορική φωτογραφία (Google Earth ) της παραλιακής ζώνης με τις θέσεις δοκιμών πεδίου και των περιοχών ρευστοποίησης (Batilas et al., 2014). Figure 1. Satellite image (Google Earth ) of the coastal zone of K. Achaia with the location of in situ tests and liquefied areas (Batilas et al., 2014).
(α) (β) (γ) Σχήμα 2. Κρατήρες άμμου στη ΘΕΣΗ-Ι και ΘΕΣΗ-ΙΙ, στη παραλιακή ζώνη της Κ. Αχαΐας μετά το σεισμό της 8-6-2008: (α) αμμο-ιλυώδης άμμος τεφρού χρώματος, (β) άμμος καφέ χρώματος. Figure 2. Cone ejecta at SITE-I and SITE-II, in the coastal zone of K. Achaia following the 8-6-2008 earthquake: (a) gray silty sand (SM), (b) brown sand (SP). Ανατολή Σχήμα 3. Ανατροπή και πτώση προς τα δυσμάς πλαστικού βαρελιού γεμάτο με νερό, κατά το σεισμό της Αχαΐας-Ηλείας 2008. Figure 3. Barrel-shaped plastic water filled container which was overturned during the Achaia-Ilia 2008 earthquake. 3. ΣΕΙΣΜΙΚΗ ΚΙΝΗΣΗ ΣΤΗΝ ΕΞΕΤΑΖΟΜΕΝΗ ΠΕΡΙΟΧΗ Παρά το γεγονός ότι ο σεισμός της Αχαΐας-Ηλείας καταγράφηκε από 27 καταγραφικά όργανα ισχυρής εδαφικής κίνησης (Margaris et al., 2008), δεν είναι διαθέσιμη καταγραφή του κύριου σεισμού στη παραλιακή ζώνη της Κ. Αχαΐας όπου παρατηρήθηκε το φαινόμενο της εδαφικής
ρευστοποίησης. Για το λόγο αυτό επιχειρείται εκτίμηση της μέγιστης τιμής επιφανειακής επιτάχυνσης, a g, με βάση την παρατηρηθείσα συμπεριφορά του πλαστικού βαρελιού που αναφέρθηκε στην προηγούμενη ενότητα. Είναι γνωστό ότι η συμπεριφορά των άκαμπτων σωμάτων υπό παλμική ή σεισμική φόρτιση εξαρτάται από την σεισμική ένταση, το συχνοτικό περιεχόμενο, τη σχέση ύψους προς μέγεθος βάσης και τις συνθήκες έδρασης (Voyagaki et al., 2013). Συγκεκριμένα, το συχνοτικό περιεχόμενο της διέγερσης διαδραματίζει αποφασιστικό ρόλο στην ανατροπή του εξεταζόμενου πλαστικού βαρελιού. Σχετικές μελέτες έχουν δείξει ότι η τιμή της επιβαλλόμενης επιτάχυνσης που απαιτείται για την ανατροπή ενός άκαμπτου σώματος αυξάνεται με μειούμενες τιμές συχνότητας, f, (ή αυξανόμενες τιμές της περιόδου, T) και προσεγγίζει την υψηλότερη τιμή για την ψευδοστατική περίπτωση (π.χ. f=0hz ή T= ), η οποία ανταποκρίνεται στην απλή λύση a g =(B/H)xg. Η παρατηρηθείσα συμπεριφορά του γεμάτου με νερό, ακάλυπτου βαρελιού υπό σεισμική φόρτιση περιπλέκεται περαιτέρω λόγω της απόκρισης της μάζας του νερού και οι συγγραφείς του παρόντος άρθρου δεν έχουν εντοπίσει δημοσιευμένη αναλυτική λύση του συγκεκριμένου προβλήματος. Για το λόγο αυτό στο παρόν άρθρο η διερεύνηση της συμπεριφοράς του βαρελιού και η εκτίμηση της αναγκαίας για ανατροπή εδαφικής επιτάχυνσης πραγματοποιήθηκε με τη διεξαγωγή δοκιμών στη σεισμική τράπεζα του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Στις δοκιμές σεισμικής τράπεζας χρησιμοποιήθηκε το πραγματικό πλαστικό βαρέλι που ανατράπηκε (ύψους 0.76m και διαμέτρου 0.50m), γεμάτο με νερό και εδραζόμενο είτε σε γεωαφρό διογκούμενης πολυστερίνης πυκνότητας 15kg/m 3 (EPS15), είτε σε αμμο-ιλυώδες έδαφος. Η τιμή του κάτω ορίου της κρίσιμης επιτάχυνσης a max για την ανατροπή του βαρελιού προσεγγίστηκε α) αυξάνοντας την ένταση του σεισμικής διέγερσης με μικρό βήμα (0.02g) και β) χρησιμοποιώντας κατάλληλη χρονοϊστορία διέγερσης η οποία αντιπροσωπεύει κατά τον καλύτερο δυνατό τρόπο την πραγματική κίνηση της παραλιακής ζώνης της Κ. Αχαΐας κατά το σεισμό της 8-6-2008 (σε όρους συχνοτικού περιεχομένου). Οι δοκιμές του γεμάτου με νερό πλαστικού βαρελιού πραγματοποιήθηκαν εκτός της σεισμικής τράπεζας χρησιμοποιώντας κατάλληλο μηχανισμό (Σχήμα 4) προκειμένου να αποφευχθεί η είσοδος του νερού στις μηχανικές εγκαταστάσεις της σεισμικής τράπεζας. Σχήμα 4. Μηχανισμός που χρησιμοποιήθηκε στη διεξαγωγή δοκιμών του πληρωμένου με νερό πλαστικού βαρελιού στη σεισμική τράπεζα του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών σεισμικής τράπεζας. Figure 4. Mechanism used for performing shaking tests on the water filled plastic container by utilizing the University of Patras Shaking Table facility.
Η χρονοϊστορία της διέγερσης που χρησιμοποιήθηκε στις δοκιμές απεικονίζεται στο Σχήμα 5γ. Η ανωτέρω χρονοϊστορία είναι αποτέλεσμα της μεταφοράς της καταγραμμένης σεισμικής κίνησης στο σταθμό Patra(kiosk) (ή UP7 του αστικού δικτύου UPAN), που απέχει R jb =16.7km από το σεισμογόνο ρήγμα (Margaris et al., 2010), στη θέση ρευστοποίησης της Κ. Αχαΐας (R jb =6km), με χρήση της σχέσης εξασθένισης των Boore and Atkinson (2008). Το φάσμα Fourier της συγκεκριμένης χρονοϊστορίας (με θεμελιώδη ιδιοπερίοδο Τ 1sec) απεικονίζεται στο Σχήμα 5δ. Για τον προσδιορισμό της μέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης που οδηγεί στην ανατροπή του βαρελιού πραγματοποιήθηκαν συνολικά περισσότερες από 30 δοκιμές με προοδευτικά αυξανόμενη τιμή της μέγιστης επιτάχυνσης. Η χρονοϊστορία της κίνησης του Σχήματος 5γ επιβλήθηκε υπό κλίμακα στη σεισμική τράπεζα, έτσι ώστε η μέγιστη τιμή της επιτάχυνσης να κυμαίνεται από 0.10g έως 0.22g. Τα αποτελέσματα των δοκιμών υποδεικνύουν ότι η τιμή της κρίσιμης επιτάχυνσης (κάτω όριο) που οδηγεί στην ανατροπή του πλαστικού βαρελιού εξαρτάται από τις συνθήκες έδρασης. Η τιμή της επιτάχυνσης a max κυμαίνεται από a max 0.17g (μέση τιμή 0.15g έως 0.18g) για συνθήκες έδρασης αμμο-ιλυώδους εδάφους (Σχήμα 5β) έως a max 0.20g (μέση τιμή 0.19g έως 0.21g) για συνθήκες έδρασης με EPS15 (Σχήμα 5α). Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα των δύο παραπάνω προσεγγίσεων το κατώτερο όριο τη μεγίστης εδαφικής επιτάχυνσης στη θέση ρευστοποίησης μπορεί να θεωρηθεί ίσο με a max 0.18g, με πιθανή διακύμανση από 0.17g έως 0.20g. Για τον προσδιορισμό του άνω ορίου της τιμής a max πραγματοποιήθηκαν διδιάστατες ισοδύναμες γραμμικές αναλύσεις σεισμικής απόκρισης της ευρύτερης περιοχής (Πελέκης κ.α., 2014). Από τα αποτελέσματα των αναλύσεων διαπιστώθηκε ότι για να υπάρχει συμβατότητα του μεγέθους των επιφανειακών επιταχύνσεων με τις παρατηρηθείσες βλάβες των κατασκευών στις διάφορες περιοχές της Κ. Αχαΐας, η μέγιστη εδαφική επιτάχυνση στη θέση ρευστοποίησης πρέπει να είναι a max <0.20g (άνω όριο). Ενδιαφέρον παρουσιάζει το πολύ μικρό εύρος διακύμανσης μεταξύ του άνω ορίου (με βάση τις 2Δ αριθμητικές αναλύσεις) και του κάτω ορίου (με βάση τις δοκιμές σεισμικής τράπεζας) της εκτιμώμενης οριζόντιας εδαφικής επιτάχυνσης. Συμπεραίνεται επομένως ότι η εδαφική επιτάχυνση που αναπτύχθηκε στην παραλιακή ζώνη της Κ. Αχαΐας κατά το σεισμό της Αχαΐας-Ηλείας (2008) μπορεί να ληφθεί ίση με a max 0.18g έως 0.19g. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Με βάση τα αποτελέσματα 1) των δοκιμών σεισμικής τράπεζας, στις οποίες προσομοιώθηκε η παρατηρηθείσα συμπεριφορά πλαστικού βαρελιού γεμάτου με νερό στην παραλιακή ζώνη της Κ. Αχαΐας κατά τη διάρκεια του κύριου σεισμού της Αχαΐας-Ηλείας (2008) και 2) διδιάστατων αναλύσεων σεισμικής απόκρισης της ευρύτερης περιοχής σε συνδυασμό με την κατανομή βλαβών στο υπερυψωμένο τμήμα της πόλης, προκύπτει ότι η τιμή της επιφανειακής εδαφικής επιτάχυνσης a max στην παραλιακή ζώνη της ευρύτερης περιοχής κυμάνθηκε από 0.18g έως 0.19g. Η αξιοπιστία της ανωτέρω τιμής θεωρείται ισοδύναμη με αυτή των λοιπών δεδομένων που αφορούν τα εδαφικά χαρακτηριστικά της θέσης και ενισχύει την ποιότητα και χρησιμότητα του συγκεκριμένου περιστατικού ρευστοποίησης. 5. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Εκφράζονται ευχαριστίες στον Αν. Καθηγητή Ε. Μπούσια και τον Δρ. Η. Στρεπέλια του Τμήματος Πολιτικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών για την πολύτιμη βοήθεια που παρείχαν στις δοκιμές σεισμικής τράπεζας που πραγματοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας διερεύνησης.
Acceleration (g) Fourier Amplitude Συνεδρία XIV Εδαφοδυναμική : Εργαστηριακές και Επί Τόπου Δοκιμές Εδαφοδυναμικής_XIV.6 (α) (β) 0.25 0.20 0.21g 0.15g (γ) 0.040 0.035 (δ) 0.15 0.10 0.030 0.05 0.025 0.00 0.020-0.05-0.10-0.15-0.20 0.19g 0.18g -0.25 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Time (sec) 0.015 0.010 0.005 0.000 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Period (sec) Σχήμα 5. Αποτελέσματα δοκιμών σεισμικής τράπεζας του πληρωμένου με νερό πλαστικού βαρελιού (α) ανατροπή βαρελιού εδραζόμενο σε EPS15, με a max 0.20g, (β) ανατροπή βαρελιού εδραζόμενο σε αμμο-ιλυώδες έδαφος, με a max 0.17g, (γ) επιβαλλόμενη χρονοϊστορία και (δ) Φάσμα Fourier. Figure 5. Results of shaking table tests on the plastic barrel-shaped container, filled with water (a) overturning of container sitting on EPS15 block, under a max 0.20g, (b) overturning of container sitting on silty sand layer, under a max 0.17g, (c) scaled acceleration time history (recorded at Patra-kiosk) used as input in the shaking table tests and (d) Fourier Spectrum of input motion. 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Batilas, A., Pelekis, P., Vlachakis, V., and Athanasopoulos, G., (2014), "Soil Liquefaction/Nonliquefaction in the Achaia-Ilia (Greece) 2008 Earthquake: Field Evidence, Site Characterization and Ground Motion Assessment", International Journal of Geoengineering Case Histories, http://casehistories.geoengineer.org, Vol.2, Issue 4, pp.270-287. Boulanger, R. W., and Idriss, I. M., (2012), Examination and Reevaluation of SPT-Based Liquefaction Triggering Case Histories, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, 138(8), 898-909. Cetin, K. O., Seed, R. B., Der Kiureghian, A., Tokimatsu, K., Harder, L. F., Kayen, R. E., and Moss, R. E. S., (2004), Standard penetration test-based probabilistic and deterministic assessment of seismic soil liquefaction potential. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 130(12), pp.1314 1340. Kayen, R., Moss, R.E.S., Thompson, E.M., Seed, R.B., Cetin, K.O., Der Kiureghian, A., Tanaka, Y. and Tokimatsu, K., (2013), Shear-Wave Velocity-Based Probabilistic and Deterministic Assessment of Seismic Soil Liquefaction Potential Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 139(3), pp. 407 419. Margaris, B. and 18 other authors (2008), Preliminary Report on the Principal Seismological and Engineering Aspects of the Mw=6.5 Achaia-Ilia (Greece) Earthquake on 8 June
2008. GEER Association Report No. GEER-013, June 2008, http://www.geerassociation.org/geer_post%20eq%20reports/greece_2008/cover_gre ece2008.html. Margaris, B., Athanasopoulos, G., Mylonakis, G., Papaioannou, C., Klimis, N., Theodoulidis, N., Savvaidis, A., Efthymiadou, V. and Stewart, J. (2010), The 8 June 2008 Mw6.4 Achaia-Ilia, Greece Earthquake: Source Characteristics, Ground Motions, and Ground Failure, Earthquake Spectra, 26(2), 399-424. Moss, R. E. S., Seed, R. B., Kayen, R. E., Stewart, J. P., Der Kiureghian, A., and Cetin, K. O., (2006), CPT-Based Probabilistic And Deterministic Assessment Of In Situ Seismic Soil Liquefaction Potential. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol. 132(8), pp. 1032 1051. Voyagaki, E., Psycharis, I.N., Mylonakis, G. Rocking Response and Overturning Criteria for Free-Standing Rigid Blocks to Single-Lobe Pulses, Soil Dynamics & Earthquake Engineering, Vol. 46, pp. 85-95, 2013. Πελέκης, Π.Κ., Μπατίλας, A.B., Πεφάνη, Ε.Θ., Βλαχάκης, Β.Σ., και Αθανασόπουλος, Γ.Α., (2014), Επίδραση της Τοπογραφίας στην Εδαφική Σεισμική Απόκριση της Κάτω Αχαΐας κατά το Σεισμό 8 ης Ιουνίου 2008, Μ w 6.4, Πρακτικά 7 ου Πανελλήνιου Συνεδρίου Γεωμηχανικής, Αθήνα, Νοέμβριος 2014.