Physical and Numerical Modelling of Tsunamis and their effect on Geotechnical Structures

Abstract

Tsunamis are a rare but destructive natural phenomenon; the devastation caused by the 2004 Boxing Day and 2011 Tohoku Tsunamis has left an indelible impression on both the general population and the civil engineering community. The 2011 Tohoku Tsunami particularly highlighted the vulnerability of structures specifically designed to be Tsunami-resistant, including breakwaters, sea walls and Tsunami defences. The failure of such critical infrastructure not only shocked the engineering community, but was also the trigger of the Fukushima nuclear accident – one of the worst in recent history. Since 2011, there has been a strong push towards understanding how to design structures against Tsunami events. Although it may not be reasonable to design structures to survive such extreme events unscathed, the catastrophic failures observed during the 2011 Tohoku earthquake should not be repeated upon similar exceedance of the design event. Great progress has been made in the estimation of Tsunami loads, particularly through recent advances in physical modelling. However, the impact of Tsunamis on the bearing capacity of structures, especially geotechnical, is an area of remaining uncertainty. The prevalence of foundation scouring during the 2011 Tsunami has highlighted the need to improve our understanding of its effects on coastal structures, such as breakwaters and seawalls, as well as to develop improved countermeasures against scour. Physical models aimed at reproducing the hydraulic component of scouring may not be well suited to predict the behaviour of soil–structure systems at reduced scale. In order to understand the impact of scour on the bearing capacity of a real breakwater or seawall, the geotechnical failure mechanisms need to be reliably reproduced. In order to achieve this goal, a novel lab-scale apparatus is developed, capable of reproducing a wide variety of Tsunami-like waves. Constituting one of the key contributions of this work, the Miniaturised Tidal Generator (MTG) employs a novel recirculation system, comprising one-way valves and air-pressure controlled dual reservoirs, operating out-of-phase like a pair of bellows. The recirculation system allows minimization of the size and weight of the apparatus, which are both crucial for its future adaptation to centrifuge modelling. Using the developed MTG, an idealised gravity breakwater is tested, consisting of an aluminium block lying on a level bed of fine, dense sand. The geotechnical behaviour of the unscoured (initial) system can be described and reliably reproduced, allowing the effect of scour to be separated from the overall response. The structure is subjected to an overtopping Tsunami, which promotes local scour and combined vertical-horizontal-moment (VHM) bearing-capacity failure. High speed image analysis reveals subtle changes in the soil, such as loosening with the progression of scour. An instrumented breakwater is designed and constructed, allowing for direct measurement of the forces and moments between the breakwater block and its foundation – another key contribution of this work. The instrumented breakwater is used to determine the unscoured capacity of the foundation, which when using the moment horizontal force (M/H) ratio proposed by existing codes, exhibits a shallow sliding-type failure mechanism. Using the instrumented breakwater, the forces are measured during Tsunami impact and scouring. The results of the scoured and unscoured models are compared, conclusively showing that the mobilised shear force during Tsunami attack is not sufficient to promote sliding-type failure, as often assumed in design codes and recommendations – one more key contribution of this work. It is shown that using the M/H ratio proposed by codes and derived from hydraulic models, such a sliding mechanism is difficult to develop, at least for reasonable interface friction angles and factors of safety against vertical loading . The observed failure is shown to arise from contraction of the combined VHM failure surface – another key contribution of this work. This contraction is investigated by combining physical and numerical modelling. A large number of finite element (FE) models are developed, parametrically varying the progression of the scour feature, on the basis of experimental observations. In conjunction with an advanced Mohr-Coulomb Hardening-Softening (MC-HS) constitutive model, FE analyses are used to construct the combined failure surface of the foundation in function of scour depth. The analysis reveals the reduction of combined bearing capacity and the change in mechanism due to scour, while the proposed failure envelopes are shown to match well with the results obtained from the MTG experiments with the instrumented breakwater. One of the major contribution of this work, the dimensionless failure envelopes provide a rapid assessment of the reduction in foundation bearing capacity due to scour, requiring only a simple modification of the Butterfield & Gottardi (1996) failure envelopes, which are already included in most codes and recommendations and widely used in practice for the prediction of the unscoured bearing capacity of foundations. The developed methodology can either be used to estimate the vulnerability of existing coastal structures to Tsunami attack, or to design more resilient structures, the performance of which is much less dependent on the effectiveness of scour protection measures, thus reducing the risk of catastrophic collapse in the event of failure. Finally, a design example is provided, highlighting the applicability of the proposed approach.

Tsunamis sind ein seltenes, jedoch zerstörerisches Phänomen. Die Verwüstungen durch die Tsunamis von Sulawesi 2004 und Tohoku 2011 haben einen unvergesslichen Eindruck sowohl bei der Bevölkerung als auch in der Baubranche hinterlassen. Der Tohoku-Tsunami von 2011 hat vor allem die mangelhafte Performance von Bauwerken verdeutlicht, die speziell für den Schutz vor Tsunamis konzipiert wurden, darunter Wellenbrecher, Seemauern und Tsunami-Schutzvorrichtungen. Das Versagen solch kritischer Infrastrukturen schockierte nicht nur die Ingenieurgemeinschaft, sondern war auch der Auslöser für den Atomunfall in Fukushima - einen der schlimmsten Vorfälle in der jüngeren Geschichte. Seit 2011 gibt es einen starken Impuls zu verstehen, wie Strukturen gegen Tsunami-Ereignisse ausgelegt werden können. Auch wenn es nicht sinnvoll ist, Bauwerke so auszulegen, dass sie solche extremen Ereignisse unbeschadet überstehen, sollten sich die katastrophalen Ausfälle, die während des Tohoku-Erdbebens 2011 beobachtet wurden, bei einer ähnlichen Überschreitung des Bemessungsereignisses nicht wiederholen. Bei der Abschätzung von Tsunami-Belastungen wurden große Verbesserungen erzielt, insbesondere durch die jüngsten Fortschritte bei der physikalischen Modellierung. Die Auswirkungen von Tsunamis auf die Tragfähigkeit von Bauwerken, insbesondere in der Geotechnik, sind jedoch ein Bereich, in dem noch Unsicherheiten bestehen. Das Auftreten von Fundamentauskolkungen während des Tsunamis 2011 hat deutlich gemacht, dass wir die Auswirkungen auf Küstenstrukturen wie Wellenbrecher und Deiche besser verstehen und bessere Gegenmaßnahmen entwickeln müssen. Physikalische Modelle, die darauf abzielen, die hydraulische Komponente der Kolkbildung nachzubilden, sind möglicherweise nicht gut geeignet, um das Verhalten von Bodenstrukturen in kleinerem Maßstab vorherzusagen. Um die Auswirkungen von Kolk auf die Tragfähigkeit eines echten Wellenbrechers oder Deichs zu verstehen, müssen die geotechnischen Versagensmechanismen zuverlässig reproduziert werden. Um dies zu erreichen, wurde ein innovatives Gerät im Labormaßstab entwickelt, mit dem eine Vielzahl von tsunamiähnlichen Wellen reproduziert werden kann. Der Miniatur- Wellengenerator (MTG), der einen der wichtigsten Beiträge dieser Arbeit darstellt, verwendet ein neuartiges Rezirkulationssystem, das aus Einwegventilen und luftdruckgesteuerten Doppelreservoiren besteht, welche ähnlich einem Paar von Faltenbälgen phasenverschoben arbeiten. Das Rezirkulationssystem ermöglicht eine Minimierung der Größe und Gewichts des Geräts, was beides für seine zukünftige Verwendung in Zentrifugenmodellen entscheidend ist. Mit dem entwickelten MTG wird ein idealisierter Wellenbrecher getestet, der aus einem Aluminiumblock besteht, welcher auf einem ebenen Bett aus feinem, dichtem Sand liegt. Das geotechnische Verhalten des nicht ausgekolkten (anfänglichen) Systems kann beschrieben und zuverlässig reproduziert werden, so dass die Auswirkung des Kolks vom gesamthaften Verhalten getrennt werden kann. Das Bauwerk wird einem überflutenden Tsunami ausgesetzt, der eine lokale Kolkbildung und ein kombiniertes (VHM) Tragfähigkeitsversagen einleitet. Die Hochgeschwindigkeits-Bildanalyse zeigt subtile Veränderungen im Boden, wie z. B. Auflockerung mit fortschreitender Kolkbildung. Es wird ein instrumentierter Wellenbrecher entworfen und gebaut, der eine direkte Messung der Kräfte und Momente zwischen dem Wellenbrecherblock und seinem Fundament ermöglicht - ein weiterer wichtiger Beitrag dieser Arbeit. Der instrumentierte Wellenbrecher wird zur Bestimmung der Tragfähigkeit des Fundaments ohne Auskolkung verwendet. Unter Verwendung des in den bestehenden Normen vorgeschlagenen Verhältnisses zwischen Moment und Horizontalkraft (M/H) weist das Fundament einen flachen, gleitenden Versagensmechanismus auf. Mit dem instrumentierten Wellenbrecher werden die Kräfte während des Tsunami-Einschlags und der Kolkbildung gemessen. Die Ergebnisse der ausgekolkten und nicht ausgekolkten Modelle werden verglichen und zeigen eindeutig, dass die mobilisierte Scherkraft während der Tsunami-Einwirkung nicht ausreicht, um ein gleitendes Versagen einzuleiten, wie es oft in Bemessungsvorschriften und Empfehlungen angenommen wird - ein weiterer wichtiger Beitrag dieser Arbeit. Es wird gezeigt, dass bei Verwendung des von den Normen vorgeschlagenen und aus hydraulischen Modellen abgeleiteten M/H-Verhältnisses ein solcher Gleitmechanismus nur schwer zu entwickeln ist, zumindest bei vernünftigen Grenzflächenreibungswinkeln und Sicherheitsfaktoren für vertikale Belastung. Es wird gezeigt, dass das beobachtete Versagen auf ein Schrumpfen der kombinierten VHM-Versagensfläche zurückzuführen ist - ein weiterer wichtiger Bestandteil dieser Arbeit. Diese Kontraktion wird durch eine Kombination von physikalischer und numerischer Modellierung untersucht. Auf der Grundlage experimenteller Beobachtungen werden zahlreiche Finite-Elemente-Modelle (FE-Modelle) entwickelt, in welchen der Verlauf der Kolkbildung parametrisch variiert wird. In Verbindung mit einem fortschrittlichen Mohr-Coulomb Hardening-Softening (MC-HS) Materialmodell werden FE-Analysen verwendet, um die kombinierte Versagensfläche des Fundaments in Abhängigkeit von der Kolktiefe zu konstruieren. Die Analyse zeigt die Verringerung der kombinierten Tragfähigkeit und die Veränderung des Mechanismus aufgrund der Kolkbildung, während die vorgeschlagenen Versagenshüllkurven gut mit den Ergebnissen des instrumentierten Wellenbrechers im MTG-Experiment übereinstimmen. Einer der wichtigsten Beiträge dieser Arbeit ist, dass die dimensionslosen Versagenshüllkurven eine schnelle Einschätzung der Verringerung der Tragfähigkeit von Fundamenten infolge von Kolkbildung ermöglichen. Dazu ist nur eine einfache Modifizierung der Versagenshüllkurven von Butterfield & Gottardi (1996) erforderlich, welche bereits in den meisten Normen und Empfehlungen enthalten sind und in der Praxis häufig für die Vorhersage der Tragfähigkeit von Fundamenten ohne Kolkbildung verwendet werden.