Publication:
Geotechnical resiliency in the tectonically active tropics: Liquefaction and earthdam vulnerability case studies in Puerto Rico

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Authors
Villarreal-Arango, Andrés F.
Embargoed Until
Advisor
Morales-Vélez, Alesandra C.
College
College of Engineering
Department
Department of Civil Engineering
Degree Level
Ph.D.
Publisher
Date
2019-05-14
Abstract
This dissertation is comprised of four manuscripts developed from different topics of geotechnical and earthquake engineering. Puerto Rico is selected as the study area because is an island located in a high tectonic active area and threaten by atmospheric phenomena. The first topic investigates a link between resilience, liquefaction, and natural hazards. An extensive literature review is performed in order to apply a conceptual definition of resilience in the field of geotechnical engineering to establish a framework to evaluate liquefaction potential in Puerto Rico. The second topic deals with site response analysis and liquefaction evaluation of a unique calcareous sand soil from southwest Puerto Rico. Liquefaction potential was evaluated as the factor of safety (FS) between the soil resistance (CRR) and the earthquake demand (CSR). For the earthquakes considered, the FS indicates that the CRR-CSR profiles for the calcareous sand are susceptible to liquefaction. Also, a seismic design spectrum is proposed that area using the site response analysis that considers soil site effects. The third topic compares the results of a liquefaction analysis using simplified procedures and specific site stress-based approaches. An alluvium sand deposit from Mayaguez, Puerto Rico is used as case of study. The principal difference between the two methods is the calculation of the CSR. General results indicate that the coastal area of Mayagüez has a high liquefaction potential (FS < 1). The comparison of the two procedures demonstrates that at the majority of the CRR-CSR soil profiles, the factor of safety against liquefaction using the simplified method is less than the one obtain using the specific stress-based approach. The four and final topic presents a multi-decadal earth dam monitoring using airborne LiDAR and structure from motion (SfM) of Lago Guajataca (northwest Puerto Rico). As Hurricane María crossed Puerto Rico, the dam spillway of Lago Guajataca suffered major damages, caused by overtopping due to extreme precipitation and other factors. The complete temporal analysis includes; SfM analysis from aerial images from 1930; airborne LiDAR datasets from 2004 to 2016; SfM from photos taken by the Air Patrol days after Hurricane María (September and October 2017); and our 2018 UAV survey. General deformations of the dam were identified. In addition, changes in volume from the structure were quantified before and after Hurricane María.

Esta disertación se compone de cuatro manuscritos desarrollados a partir de diferentes temas de ingeniería geotécnica y de terremotos. Puerto Rico es seleccionado como área de estudio porque es una isla ubicada en un área de alta actividad sísmica y que es amenazada con los fenómenos atmosféricos. El primer tema investiga un vínculo entre la resiliencia, la licuefacción y los peligros naturales. Se realiza una extensa revisión de la literatura para aplicar una definición conceptual de resiliencia en el campo de la ingeniería geotécnica para establecer un marco que permita evaluar el potencial de licuefacción en Puerto Rico. El segundo tema trata el análisis de la respuesta del sitio y la evaluación de la licuefacción de un suelo de arena calcárea único del sudoeste de Puerto Rico. El potencial de licuefacción se evaluó como el factor de seguridad (FS) entre la resistencia del suelo (CRR) y la demanda de terremotos (CSR). Para los terremotos considerados, el FS indica que los perfiles de CRR-CSR para la arena calcárea son susceptibles a licuefacción. Además, se propone un espectro de diseño sísmico en esa área que utiliza el análisis de respuesta del sitio que considera los efectos del sitio del suelo. El tercer tema compara los resultados de un análisis de licuefacción utilizando procedimientos simplificados y enfoques específicos basados en esfuerzos. Un depósito de arena aluvial de Mayagüez, Puerto Rico se utiliza como caso de estudio. La principal diferencia entre los dos métodos es el cálculo del CSR. Los resultados generales indican que el área costera de Mayagüez tiene un alto potencial de licuefacción (FS <1). La comparación de los dos procedimientos demuestra que, en la mayoría de los perfiles de suelo CRR-CSR, el factor de seguridad contra la licuefacción que utiliza el método simplificado es menor al obtenido a partir del enfoque específico basado en esfuerzos. El cuarto y último tema presenta un monitoreo de una represa de tierra en varias décadas utilizando LiDAR aerotransportado y la estructura de movimiento (SfM) del Lago Guajataca (noroeste de Puerto Rico). Cuando el huracán María cruzó Puerto Rico, el aliviadero de la presa del Lago Guajataca sufrió daños mayores, causados por el exceso de precipitación extrema y otros factores. El análisis temporal completo incluye; Análisis de SfM a partir de imágenes aéreas desde 1930; conjuntos de datos LiDAR en el aire desde 2004 hasta 2016; SfM de fotos tomadas por la Patrulla Aérea días después del huracán María (septiembre y octubre de 2017); y nuestro monitoreo de UAV en 2018. Se identificaron deformaciones generales de la presa. Además, los cambios en el volumen de la estructura se cuantificaron antes y después del huracán María.
Keywords
Liquefaction,
Structure from motion
Cite
Villarreal-Arango, A. F. (2019). Geotechnical resiliency in the tectonically active tropics: Liquefaction and earthdam vulnerability case studies in Puerto Rico [Dissertation]. Retrieved from https://hdl.handle.net/20.500.11801/2495