Liquefaction can occur in saturated and loose soils and cause catastrophic damage accompanied with ground settlement and rotation of superstructures. Structures on liquefied soils are exposed to the volumetric-induced settlement, deviatoric-induced settlement, and soil ejecta (sand boil). However, ground deformation mechanisms associated with soil-foundation-structure interaction (SFSI) remains poorly understood. Therefore, this dissertation aims to observe the dynamic and settlement behaviors of liquefiable soils during earthquake loading, to evaluate the effect of structural load and earthquake duration on dynamic behavior of a shallow foundation and associated ground settlement, and to examine the effect of sequential liquefaction triggers on dynamic behavior of a shallow foundation and associated ground settlement, through dynamic centrifuge modelling. The centrifuge experiment results show clear evidences of liquefaction and associated ground settlement in free-field ground without a foundation. By contrast, the ground under a foundation shows the ratio of pore water pressure (Ru) less than unity, but with a more significant deformation due to its overlying structural weight. It is found that the earthquake duration has a profound effect on the settlement of an overlying structure rather than the peak amplitude of earthquake. As the first earthquake induces a small rotation of a structure, the after-shock earthquake exacerbates and causes more severe rotations of the structure though it causes less settlement due to the reduced void ratio and the foundation embedment effect. Among the intensity measures, the cumulative absolute velocity (CAV) shows a good correlation with the settlement. The presented study provides clear physical modeling result that advances our understanding on the dynamic characteristics of the soil-foundation-structure interaction (SFSI) during earthquakes in the liquefied ground through centrifuge experiment.
액상화는 포화된 느슨한 지반에서 지진하중에 의해 주로 발생하며, 지반 침하 및 상부 구조물의 회전과 함께 심각한 피해를 일으킬 수 있다. 액상화 된 지반 위의 구조물은 체적변형, 전단변형, 그리고 모래분사에 의해 손상될 수 있다. 하지만, 이러한 지반-기초-구조물 상호작용(SFSI)에 의한 변형 메커니즘에 대한 이해가 부족한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 원심모형실험을 통해 지진하중 시 액상화된 지반의 침하 및 동적거동을 관찰하고, 구조물의 하중과 지진의 지속시간이 얕은 기초의 동적거동과 지반침하에 어떠한 영향을 주는지 평가하고, 순차적 액상화 발현을 통한 구조물의 거동을 관찰하였다. 원심모형실험 결과, 기초가 없는 자유장 지반에서는 액상화와 이로 인한 지반침하의 명확한 증거를 관찰하였다. 이와 대조적으로, 구조물 기초 아래의 지반은 상부 구조물의 하중으로 인해 공극 수압비(Ru)가 1에 미치지 않아 액상화가 발현되지 않았지만, 자유장에 비해 더 큰 지반침하가 발생하였다. 또한 구조물의 침하는 지진의 최대 진폭보다는 지속시간에 영향을 크게 받음을 발견하였다. 선행 지진으로 상대밀도가 증가하고, 기초가 매립되는 효과를 보였으며, 이로 인해 후행 지진 시, 상대적으로 작은 침하가 발생하였다. 하지만, 선행 지진 시 발생한 구조물의 회전으로 인해 후행 지진 시 더 많은 회전이 발생하였다. 지진강도지표 중 누적절대속도(CAV)가 침하를 잘 예측할 수 있는 것으로 판단된다. 이를 통해, 본 연구에서는 원심모형실험을 통한 물리적 모델링으로 액상화 가능 지반에서 지진하중 시 지반-기초-구조물 상호작용(SFSI)의 동적 특성을 보다 명확하게 제시하였다.
