Seismic fragility and risk assessment of roadway network retaining walls

Abstract

Road networks form the core of transportation systems, playing a vital role in supporting economic growth and social well-being. However, provincial roads, particularly in remote areas, often suffer from inadequate maintenance, making them highly vulnerable to seismic hazard. Retaining walls are fundamental components of road networks, providing stability and support under varying soil conditions. Past seismic events have revealed the potential for direct damage to retaining walls, resulting in prolonged disruptions that impact the normal operation of roads. Assessing the fragility of retaining walls is a critical step in estimating seismic risk, which can guide preventive actions or support immediate decision-making. This dissertation focuses on the seismic fragility and risk assessment of retaining walls within road networks, particularly under varying initial conditions associated with the presence of water. Seismic fragility is represented by fragility curves, which express the probability of exceeding various damage states based on ground shaking intensity. While previous studies have explored the seismic fragility of retaining walls, they have primarily considered dry backfill conditions, overlooking the practical impact of water-related issues such as drainage failures. This gap in the existing literature supports the motivation for the present study. In the first part of this research, a comprehensive framework for evaluating the seismic fragility of retaining walls is developed, accounting for both reinforced concrete (RC) cantilever and gravity retaining walls of varying heights (3 m, 6 m, and 9 m) and five different initial conditions reflecting different water levels. Using the Finite Element Method (FEM) implemented in PLAXIS 2D software, the dissertation investigates the seismic performance of retaining walls. Fragility curves are generated using multiple intensity measures, including Peak Ground Acceleration (PGA), Peak Ground Velocity (PGV), and Cumulative Absolute Velocity (CAV), for each wall typology and height. The analysis reveals that as the initial factor of safety (Fs) decreases due to the presence of water, the probability of damage increases across all damage states. Gravity retaining walls tend to exhibit higher damage probabilities compared to RC cantilever walls, particularly when vertical displacement of the backfill is considered as damage index. Moreover, a combined criteria approach, which accounts for both horizontal and vertical displacements, proves to be an effective method for capturing the most critical damage mechanism. Several parametric investigations are also conducted to understand the influence of various factors, such as soil stratigraphy, backfill friction, and wall contour, on the seismic fragility of retaining walls, as well as the prevalence of specific damage mechanisms in their seismic response. The research further extends to a case study of the Xanthi regional unit's mountainous road network in Greece, assessing the seismic risk of retaining walls under two different initial conditions. Probabilistic analyses results indicate that the presence of water amplifies the probability of damage, particularly for moderate and extensive damage states. Scenario-based seismic risk analyses demonstrate that while under dry conditions, all retaining walls are most likely to experience minor damage, the presence of water exacerbates damage to several retaining walls, revealing increased risk levels. In conclusion, this dissertation contributes to the field of seismic fragility and risk assessment of retaining walls. It offers insights into the relative performance of RC cantilever and gravity retaining walls and denotes the importance of considering multiple damage indices when assessing seismic risk. The outcomes emphasize the need for improved maintenance practices, particularly concerning drainage systems, to reduce the impact of water on retaining wall performance during seismic events. These results can serve as part of a broader effort to comprehensively assess seismic impact at a regional scale.

Τα οδικά δίκτυα αποτελούν τον πυρήνα των συστημάτων μεταφορών, συνεισφέροντας σημαντικά στην οικονομική ανάπτυξη και στην κοινωνική ευημερία. Ωστόσο, οι επαρχιακές οδοί, ιδιαίτερα σε απομακρυσμένες περιοχές, συχνά αντιμετωπίζουν ανεπαρκή συντήρηση, γεγονός που τις καθιστά εξαιρετικά ευάλωτες σε σεισμικούς κινδύνους. Οι τοίχοι αντιστήριξης αποτελούν βασικά τεχνικά έργα των οδικών δικτύων, παρέχοντας υποστήριξη υπό διαφορετικές εδαφικές συνθήκες. Σεισμικά συμβάντα του παρελθόντος έχουν αποκαλύψει ότι οι προκαλούμενες βλάβες σε τοίχους αντιστήριξης οδηγούν σε βραχυχρόνιες αλλά και μακροχρόνιες διαταραχές που επηρεάζουν την ομαλή λειτουργία των οδικών δικτύων. Η εκτίμηση της τρωτότητας των τοίχων αντιστήριξης αποτελεί ένα κρίσιμο βήμα για την αξιολόγηση της σεισμικής διακινδύνευσης, η οποία συνδράμει στην καθοδήγηση προληπτικών δράσεων και στην άμεση λήψη αποφάσεων. Η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στην εκτίμηση της σεισμικής τρωτότητας και της διακινδύνευσης των τοίχων αντιστήριξης οδικών δικτύων, υπό διαφορετικές αρχικές συνθήκες που σχετίζονται με την παρουσία νερού. Η σεισμική τρωτότητα εκτιμάται μέσω των καμπυλών τρωτότητας, οι οποίες εκφράζουν την πιθανότητα υπέρβασης διάφορων επιπέδων βλάβης με βάση την ένταση της σεισμικής διέγερσης. Η έως τώρα ερευνητική προσπάθεια έχει διερευνήσει τη σεισμική τρωτότητα των τοίχων αντιστήριξης υπό ξηρές συνθήκες, παραβλέποντας ωστόσο την πρακτική επίδραση ζητημάτων που σχετίζονται με την παρουσία νερού, όπως οι αστοχίες των συστημάτων αποστράγγισης. Το κενό αυτό στη βιβλιογραφία έρχεται να καλύψει η παρούσα διατριβή. Στο πρώτο μέρος της έρευνας, αναπτύσσεται ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο για την αξιολόγηση της σεισμικής τρωτότητας των τοίχων αντιστήριξης, λαμβάνοντας υπόψη τοίχους οπλισμένου σκυροδέματος (ΟΣ) με πέδιλο και βαρύτητας, με διαφορετικά ύψη (3 m, 6 m και 9 m) και πέντε διαφορετικές αρχικές συνθήκες που αντικατοπτρίζουν τη μεταβολή της στάθμης του νερού πίσω από τον τοίχο. Με τη χρήση της Μεθόδου Πεπερασμένων Στοιχείων που εφαρμόζεται στο λογισμικό PLAXIS 2D, η διατριβή διερευνά τη σεισμική απόκριση των τοίχων αντιστήριξης. Οι καμπύλες τρωτότητας δημιουργούνται υπό όρους τριών μέτρων έντασης και συγκεκριμένα της Μέγιστης Εδαφικής Επιτάχυνσης (PGA), της Μέγιστης Εδαφικής Ταχύτητας (PGV) και της Αθροιστικής Απόλυτης Ταχύτητας (CAV) για κάθε τυπολογία και ύψος τοίχου. Η ανάλυση τρωτότητας καταδεικνύει ότι, με τη μείωση του ολικού συντελεστή ασφάλειας (Fs) λόγω της παρουσίας νερού, η πιθανότητα βλάβης αυξάνεται για κάθε επίπεδο βλάβης. Οι τοίχοι βαρύτητας τείνουν να εμφανίζουν υψηλότερες πιθανότητες βλάβης σε σύγκριση με τους τοίχους ΟΣ. Επιπλέον, η δικριτηριακή προσέγγιση, η οποία λαμβάνει υπόψη τόσο τις οριζόντιες όσο και τις κατακόρυφες μετακινήσεις, αποδεικνύεται ως μια αποτελεσματική μέθοδος για την εκτίμησης της τρωτότητας βάσει του κρισιμότερου μηχανισμού βλάβης. Ακολούθως, διεξάγονται παραμετρικές αναλύσεις με στόχο τη διερεύνηση της επίδρασης διαφόρων παραγόντων στον βαθμό τρωτότητας, όπως η στρωματογραφία του εδάφους, η γωνία τριβής της επίχωσης και το περίγραμμα του τοίχου, καθώς και η ανάλυση της επικράτησης συγκεκριμένων μηχανισμών βλάβης στην σεισμική απόκριση. Η έρευνα επεκτείνεται περαιτέρω σε μια πιλοτική εφαρμογή στο ορεινό οδικό δίκτυο της Περιφερειακής Ενότητας Ξάνθης στην Ελλάδα, αξιολογώντας τη σεισμική διακινδύνευση των τοίχων αντιστήριξης και διερευνώντας δύο διαφορετικές αρχικές συνθήκες, μία ευνοϊκή και μία δυσμενή. Τα αποτελέσματα των πιθανολογικών αναλύσεων υποδεικνύουν ότι η παρουσία νερού αυξάνει την πιθανότητα βλάβης, ιδίως για μεσαίες και εκτεταμένες βλάβες. Οι αναλύσεις βάσει σεναριων δείχνουν ότι, ενώ υπό ξηρές συνθήκες οι τοίχοι αντιστήριξης είναι πιο πιθανό να υποστούν μικρές βλάβες, η παρουσία νερού οδηγεί σε αυξημένα επίπεδα διακινδύνευσης. Συμπερασματικά, η παρούσα διατριβή συνεισφέρει σημαντικά στην εκτίμησης της σεισμικής τρωτότητας και διακινδύνευσης των τοίχων αντιστήριξης οδικών δικτύων. Παρέχονται πληροφορίες σχετικά με την απόδοση των τοίχων αντιστήριξης ΟΣ και βαρύτητας, ενώ υπογραμμίζεται η σημασία της διερεύνησης πολλαπλών δεικτών βλάβης κατά την εκτίμηση της σεισμικής διακινδύνευσης. Τα αποτελέσματα τονίζουν την ανάγκη για βελτιωμένες πρακτικές συντήρησης, όσον αφορά τα συστήματα αποστράγγισης, προκειμένου να μειωθεί η επίδραση του νερού στην απόκριση των τοίχων αντιστήριξης κατά τη διάρκεια σεισμικών συμβάντων. Τα αποτελέσματα αυτά μπορούν να αξιοποιηθούν στην ευρύτερη προσπάθεια εκτίμησης της επίδρασης του σεισμικού κινδύνου σε περιφερειακή κλίμακα.