Estimation of dynamic parameters in residual soils derived from crystalline rocks based on geophysical multichannel analysis of surface waves tests

Abstract

Residual soils are preferentially formed at inter-tropical latitudes where climate conditions favor in situ weathering actions. The tropics constitute approximately 40% of the Earth's surface area and are home to approximately 40% of the world’s population, which is expected to reach 50% by the late 2030s in these zones. Consequently, numerous urban centers and associated infrastructure has been built, or is projected, over residual soil masses. Conversely, these soils are less often studied and published literature dealing with their fundamental behavior is scarce. This research work presents a field and laboratory testing program designed to investigate the: i) performance of the Multichannel Analysis of Surface Waves, MASW, and Cross-correlation, CC, techniques for the determination of dynamic parameters in residual soil masses; ii) in situ state of stresses of the residual soil masses and the ability to reproduce those in a laboratory environment; iii) yield stresses and 1D stress-strain characteristics; and iv) yielding and stiffness degradation characteristics of residual soils at different strain levels. Four residual soil masses were selected to conduct seismic tests with different array configurations and geophone-source offset separations. The frequency-domain cross-correlation technique was also implemented to extract Rayleigh wave phase velocities from passive data. At each sampling site, results of Electrical Resistivity Tomography, downhole and/or seismic dilatometer tests were used to evaluate the plausibility of the Vs profiles obtained using surface wave methods. Additionally, an advance laboratory testing program consisting of Constant Rate of Strain consolidation, pseudo Ko-triaxial, and monotonic and dynamic cyclic triaxial tests equipped with Bender Elements was conducted. Drained and undrained stress probe tests were conducted on specimens reconsolidated to their in situ stress state employing the Ko-recompression technique. Despite the large horizontal and vertical soil heterogeneity, the surface wave techniques succeeded in detecting major interfaces and in providing a reasonable first of soil stiffness. Based on in situ measurements of Ko-values, the Ko recompression technique was found to be adequate for reproducing the in situ stress state of the tested residual soils. A linear variation between small strain shear modulus, Go, and mean normal effective stress, p', was observed. The experimental results indicate that the tested soils exhibit incrementally nonlinear responses, which were adequately described in terms of the successive yield surfaces Y1, Y2, and Y3, proposed by Jardine (1992, 1995). The influence of the pre-shear stress paths on stiffness degradation characteristics and yielding behavior was also investigated. Additionally, for a soil of sedimentary origin and a loose sand treated with Microbially Induced Carbonate Precipitation (MICP), the compressibility characteristics were evaluated. The experimental results show a significant reduction in compressibility of the biotreated material with respect to untreated control samples. Very low Ko-values were obtained for stress levels before the initial cementation bond breakage. Empirical relations for the elastic shear modulus, Go, were developed as a function of the mean normal effective stress, p', and void ratio for clean and MICP-treated sands.

Los suelos residuales se forman preferentemente en latitudes intertropicales donde las condiciones climáticas favorecen las acciones de meteorización in situ. Los trópicos constituyen aproximadamente el 40% de la superficie terrestre y albergan aproximadamente al 40% de la población mundial, que se espera alcance el 50% para fines de la década de 2030 en estas zonas. En consecuencia, se han construido, o se proyectan, numerosos centros urbanos e infraestructura asociada sobre depósitos de suelo residual. Por el contrario, estos suelos se estudian con menos frecuencia y la literatura publicada que trata sobre su comportamiento fundamental es escasa. Este trabajo de investigación presenta un programa de pruebas de campo y laboratorio diseñado para investigar: i) el desempeño de las técnicas de Análisis Multicanal de Ondas Superficiales, MASW, y Correlación cruzada, CC, para la determinación de parámetros dinámicos en depósitos de suelo residual; ii) el estado de esfuerzos in situ de depósitos de suelo residual y la capacidad de reproducirlos en un entorno de laboratorio; iii) los esfuerzos de cedencia y las características 1D esfuerzo – deformación; y iv) las características de cedencia y degradación de rigidez en suelos residuales a diferentes niveles de deformación. Cuatro depósitos de suelo residual fueron seleccionados para realizar pruebas sísmicas con diferentes configuraciones de arreglo y separaciones de geófonos y fuente. La técnica de correlación cruzada en el dominio de la frecuencia también fue implementada para extraer velocidades de fase de la onda Rayleigh a partir de datos pasivos. En cada sitio de ensayo, se utilizaron los resultados de Tomografía de Resistividad Eléctrica, pruebas de fondo de pozo y/o dilatómetro sísmico para evaluar la plausibilidad de los perfiles de Vs obtenidos usando métodos de ondas superficiales. Adicionalmente, se llevó a cabo un programa de ensayos avanzados de laboratorio que consistió en pruebas de consolidación a tasa de deformación constante, pseudo Ko-triaxial, y triaxiales monotónicos y dinámicos cíclicos equipados con Bender Elements. Trayectorias de esfuerzo drenadas y no drenadas fueron llevadas a cabo sobre muestras reconsolidadas a su estado de esfuerzos in situ empleando la técnica de recompresión Ko. A pesar de la gran heterogeneidad horizontal y vertical, las técnicas de ondas superficiales lograron detectar las principales interfaces y proporcionar una caracterización razonable de primer orden de la rigidez del suelo. Con base en las mediciones in situ de los valores de Ko, se encontró que la técnica de recompresión Ko es adecuada para reproducir el estado de esfuerzos in situ de los suelos residuales ensayados. Se observó una variación lineal entre el módulo de corte a pequeñas deformaciones, Go, y el esfuerzo normal efectivo medio, p'. Los resultados experimentales indican que los suelos ensayados exhiben respuestas incrementalmente no lineales, las cuales fueron adecuadamente descritas en términos de las superficies de rendimiento sucesivas Y1, Y2 y Y3, propuestas por Jardine (1992, 1995). También se investigó la influencia de las trayectorias de esfuerzo previas al corte en las características de degradación de la rigidez y el comportamiento de fluencia. Adicionalmente, para un suelo de origen sedimentario y una arena suelta tratada con Precipitación de Carbonatos Inducida por Microbios (MICP), se evaluaron las características de compresibilidad. Los resultados experimentales muestran una reducción significativa en la compresibilidad del material biotratado con respecto a las muestras de control sin tratar. Se obtuvieron valores muy bajos de Ko para niveles de esfuerzo antes de la ruptura inicial del enlace de la cementación. Se desarrollaron relaciones empíricas para el módulo de corte elástico, Go, como una función del esfuerzo normal efectivo medio, p', y la relación de vacíos para arenas limpias y tratadas con MICP. (Texto tomado de la fuente)