Hydraulic fills liquefaction : effect on quay stability
Authors:   , Tarragó Munté Daniel 
Published: July 2023

The starting point of this thesis is the failure of part of a quay wall under construction. The quay was divided in two phases, failure affected Phase 1 only. The failure and all the relevant associated information on quay design, construction and monitoring records are described in detail together with the results of a site investigation campaign carried out after the failure. Flow liquefaction of the hydraulic fill emplaced behind the quay wall was the main cause of the failure. The state of the hydraulic fill in the quay area is assessed in the light of the current understanding of the phenomenon and of a number of flow liquefaction criteria. In addition, an elastoplastic constitutive law is described that is capable to simulate the undrained brittleness behaviour that underlies the phenomenon of flow liquefaction. It is a critical-state model that incorporates the concept of state parameter. Subsequent finite element analyses are able to reproduce satisfactorily the behaviour of the quay during construction and the features and circumstances of the failure. Two possible triggering mechanisms are identified that can explain the failure: spontaneous liquefaction, or liquefaction of a limited zone caused by the concurrent construction of an embankment. A parametric study verifies the robustness of the simulation and the dependence of stability on the degree of brittleness of the hydraulic fill. The same type of analysis of quay Phase 2, not involved in the failure, revealed that the margin of safety was small if the hydraulic fill liquefied. Soil improvement measures were implemented and an extensive monitoring system was installed. Construction of quay Phase 2 was completed applying the observational method that involved a continuous check of the monitoring data and its comparison with numerical simulation results. An additional site investigation confirmed that the soil improvement measures had succeeded in removing both the flow and the cyclic liquefaction potential of the hydraulic fill, according to currently accepted criteria. The Phase 1 quay involved in the failure was reconstructed with mainly terrestrial fill with no flow potential liquefaction, as confirmed by the corresponding site investigation.

Based on the experience gathered in the case and on the research carried out, an operational scheme dealing with quays constructed with hydraulic fills susceptible to flow liquefaction is proposed. It consists of a protocol to evaluate liquefaction potential of hydraulic fills, the use of a constitutive law capable of simulating flow liquefaction, the implementation of soil improvement measures to reduce flow liquefaction potential and the employment of a monitoring system to control the quay wall behaviour during construction and to provide data for comparison with numerical analyses results.

El punto de partida de esta tesis es la rotura de parte de un muelle en construcción. El muelle estaba dividido en dos fases, la rotura solo afectó a la Fase 1. La rotura y toda la información relevante sobre el diseño, construcción y resultados de la auscultación se describen en detalle junto con los resultados de la campaña de reconocimiento efectuada después de la rotura. La licuefacción estática del relleno hidráulico colocado en el trasdós del muro del muelle fue la causa principal de la rotura. El estado del relleno hidráulico se estudia en el marco del conocimiento actual del fenómeno y de una serie de criterios de licuefacción existentes. Además, se describe un modelo constitutivo elasto-plástico capaz de simular el comportamiento frágil no drenado que subyace al fenómeno de licuefacción estática. Es un modelo de estado crítico que incorpora el concepto de parámetro de estado. Los consiguientes análisis de elementos finitos reproducen satisfactoriamente el comportamiento del muelle durante la construcción, así como las características y circunstancias de la rotura. Se identifican dos posibles mecanismos desencadenantes que explican la rotura: licuefacción espontánea o licuefacción de una zona limitada del relleno hidráulico debido a la simultánea construcción de una mota. Un estudio paramétrico verifica la solidez de las simulaciones y la dependencia que presenta la estabilidad del grado de fragilidad del relleno hidráulico. Análisis similares de la Fase 2, no involucrada en la rotura, revelaron que el margen de estabilidad era reducido en caso de que el relleno hidráulico sufriera licuefacción. Se implementaron diversas medidas de mejora del terreno y se instaló un extenso sistema de monitorización. La construcción de la Fase 2 se completó usando el método observacional que implicaba una observación continua de los datos de instrumentación y su comparación con los resultados de las simulaciones numéricas. Un reconocimiento del terreno adicional confirmó que las medidas de mejora del terreno habían conseguido eliminar el potencial de licuefacción, tanto estática como cíclica, del relleno hidráulico. La Fase 1 del muelle involucrada en la rotura se reconstruyó con relleno terrestre sin potencial de licuefacción de acuerdo con los datos del reconocimiento del terreno efectuado. En base a la experiencia y trabajos realizados en este caso, se propone un esquema de actuación para casos de muelles construidos con relleno hidráulico potencialmente licuefactable. Este esquema consta de un protocolo para evaluar el potencial de licuefacción de rellenos hidráulicos, el uso de una ley constitutiva capaz de simular apropiadamente la licuefacción estática, la implementación de un conjunto de medidas de mejora del terreno para eliminar el potencial de licuefacción estática y la instalación de un sistema de auscultación para controlar el comportamiento del muelle durante la construcción y proporcionar datos para comparar con los resultados de los análisis numéricos.