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Effects of high-diluted colloidal silica mixtures on the mechanical behavior of potentially liquefiable sand

ORCID
0000-0003-3893-0548
Affiliation/Institute
Institut für Grundbau und Bodenmechanik
Ciardi, Giovanni

Seismic soil liquefaction is one of the greatest hazards of earthquakes of a certain size, and its effects on structures, infrastructures and human lives can be devastating. Liquefaction arises because of the soil shear resistance decrease as a consequence of the pore water pressure build-up in loose saturated cohesionless soil subjected to undrained loading conditions.
If a soil is susceptible to liquefaction, several remedial measures can be considered to reduce the liquefaction hazard. Different mitigation techniques have been proposed over the past years; colloidal silica grouting is one of the innovative proposals that have been recently developed. A colloidal silica (CS) mixture is a low-viscosity grout able to provide the soil particles with an artificial cohesion which improves the soil behavior under both static and cyclic
loading conditions. Cohesion results from a gelation process, developed within the grout as a consequence of chemical interactions. The amount of cohesion depends on the initial silica content: the higher the silica concentration, the higher the development of silica bonds among the grains. Historically, CS contents no lower than 5% by weight have been considered enough
to improve the liquefaction resistance of liquefiable sand. However, the effectiveness of high-diluted CS mixtures has not been exhaustively investigated yet.
The present study aims to evaluate the effects of low-content CS grouts (i.e. CS contents lower than 5% by weight) on the behavior of a clean liquefiable sand by means of an extensive laboratory investigations campaign. Laboratory tests were carried out on treated and untreated material; an in-depth analysis of soil response is presented and discussed. The performed tests showed that 2% CS content is enough to improve the soil behavior under both cyclic and monotonic loading conditions; however, the compressibility of treated
soil is higher than that of the untreated one, and it increases as CS contents increase. For this reason, 2% CS represents the optimal compromise to enhance sand liquefaction resistance by minimizing undesired effects (i.e. increased soil strain) and economic costs of a potential treatment.

Die seismische Bodenverflüssigung ist eine der größten Gefahren von Erdbeben einer bestimmten Größe, und ihre Auswirkungen auf Strukturen, Infrastrukturen und Menschenleben können verheerend sein. Die Verflüssigung entsteht durch die Abnahme des Scherwiderstands des Bodens als Folge des Porenwasserdruckaufbaus in lockerem, gesättigtem, kohäsionslosem Boden unter ungelenkten Belastungsbedingungen.
Ist ein Boden anfällig für Verflüssigung, können mehrere Abhilfemaßnahmen in Betracht gezogen werden, um die Gefahr der Verflüssigung zu verringern. Die colloidal silica grouting ist einer der innovativen Vorschläge, die kürzlich entwickelt wurden. Eine kolloidale Silica (CS)-Mischung ist ein niedrigviskoser Verguss, der in der Lage ist, den Bodenpartikeln eine künstliche Kohäsion zu verleihen, die das Bodenverhalten sowohl unter statischen als auch unter zyklischen Belastungsbedingungen verbessert. Die Kohäsion resultiert aus einem Gelierungsprozess, der innerhalb des Mörtels als Folge chemischer Wechselwirkungen entwickelt wurde. Der Grad der Kohäsion hängt vom anfänglichen Kieselsäuregehalt ab: Je höher die Kieselsäurekonzentration, desto höher die Entwicklung von Kieselsäurebindungen zwischen den Körnern. Historisch gesehen wurden nicht weniger als 5 Gew.-% CS-Gehalt als ausreichend angesehen, um die Verflüssigung von verflüssigbarem Sand zu verbessern. Die Wirksamkeit von hochverdünnten CS-Gemischen ist jedoch noch nicht vollständig untersucht.
Die vorliegende Studie zielt darauf, die Auswirkungen von niedriggefüllten CS-Fugenmörteln (d.h. CS-Gehalte unter 5 Gew.-%) auf das Verhalten eines sauber verflüssigbaren Sandes mittels einer umfangreichen Laboruntersuchungskampagne zu untersuchen. Es wurden Laboruntersuchungen an behandeltem und unbehandeltem Material durchgeführt; eine eingehende Analyse der Bodenreaktion wird vorgestellt und diskutiert. 
Die durchgeführten Tests zeigten, dass 2% CS-Gehalt ausreichen, um das Bodenverhalten sowohl unter zyklischen als auch unter monotonen Belastungsbedingungen zu verbessern; die Kompressibilität des behandelten Bodens ist jedoch höher als die des unbehandelten Bodens, und sie steigt mit zunehmendem CS-Gehalt. Aus diesem Grund stellt 2% CS den optimalen Kompromiss dar, um die Beständigkeit gegen Sandverflüssigung zu erhöhen, indem unerwünschte Effekte (d.h. erhöhte Bodenbelastung) und wirtschaftliche Kosten einer möglichen Behandlung minimiert werden.

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