Satyam Tiwari;Sarat K. Das;Madhumita Mohanty;Prakhar
Geomechanics and Engineering
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v.37
no.5
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pp.475-498
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2024
The prediction of the susceptibility of soil to liquefaction using a limited set of parameters, particularly when dealing with highly unbalanced databases is a challenging problem. The current study focuses on different ensemble learning classification algorithms using highly unbalanced databases of results from in-situ tests; standard penetration test (SPT), shear wave velocity (Vs) test, and cone penetration test (CPT). The input parameters for these datasets consist of earthquake intensity parameters, strong ground motion parameters, and in-situ soil testing parameters. liquefaction index serving as the binary output parameter. After a rigorous comparison with existing literature, extreme gradient boosting (XGBoost), bagging, and random forest (RF) emerge as the most efficient models for liquefaction instance classification across different datasets. Notably, for SPT and Vs-based models, XGBoost exhibits superior performance, followed by Light gradient boosting machine (LightGBM) and Bagging, while for CPT-based models, Bagging ranks highest, followed by Gradient boosting and random forest, with CPT-based models demonstrating lower Gmean(error), rendering them preferable for soil liquefaction susceptibility prediction. Key parameters influencing model performance include internal friction angle of soil (ϕ) and percentage of fines less than 75 µ (F75) for SPT and Vs data and normalized average cone tip resistance (qc) and peak horizontal ground acceleration (amax) for CPT data. It was also observed that the addition of Vs measurement to SPT data increased the efficiency of the prediction in comparison to only SPT data. Furthermore, to enhance usability, a graphical user interface (GUI) for seamless classification operations based on provided input parameters was proposed.
The evaluation of shear modulus is very important in various fields of civil engineering. Non-destructive seismic methods can be used to determine shear wave velocity ($V_s$) profile. Non-destructive seismic methods geneally consist of three steps: field testing, evaluation of dispersion curve, and determination of Vs profile by inversion process. Non-destructive seismic methods can be divided into two categories according to the number of receivers used for data reduction: two-channel tests and multi-channel tests. Two channel tests use apparent velocity dispersion curve and multi-channel tests use mode dispersion curves. Multi-channel tests using mode dispersion curve can reduce calculation time to determine soil profile and uncertainties in inversion process. So far, only multi-channel tests can determine mode dispersion curves but multi-channel test needs many receivers to determine reasonable mode dispersion curves. In this paper, HWAW (Harmonic Wavelet Analysis of Wave) method is applied to determine mode dispersion curves. HWAW method uses short test setup which consists of two receivers with a spacing of 1 to 3 m. Through numerical simulations and field application, it is shown that HWAW can determine resonable mode disperson curves.
Sun Chung Guk;Jung Gyungja;Jung Jong Hong;Kim Hong-Jong;Cho Sung-Min
한국지구물리탐사학회:학술대회논문집
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2005.09a
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pp.125-153
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2005
It has been widely known that the seismic piezo-cone penetration test (SCPTU) is one of the most useful techniques for investigating the geotechnical characteristics including dynamic soil properties. As the practical applications in Korea, SCPTU was carried out at two sites in Busan and four sites in Incheon, which are mainly composed of alluvial or marine soil deposits. From the SCPTU waveform data obtained from the testing sites, the first arrival times of shear waves were and the corresponding time differences with depth were determined using the cross-over method, and the shear wave velocity profiles (VS) were derived based on the refracted ray path method based on Snell's law and similar to the trend of cone tip resistance (qt) profiles. In Incheon area, the testing depths of SCPTU were deeper than those of conventional down-hole seismic tests. Moreover, for the application of the conventional CPTU to earthquake engineering practices, the correlations between VS and CPTU data were deduced based on the SCPTU results. For the empirical evaluation of VS for all soils together with clays and sands which are classified unambiguously in this study by the soil behavior type classification Index (IC), the authors suggested the VS-CPTU data correlations expressed as a function of four parameters, qt, fs, $\sigma$, v0 and Bq, determined by multiple statistical regression modeling. Despite the incompatible strain levels of the down-hole seismic test during SCPTU and the conventional CPTU, it is shown that the VS-CPTU data correlations for all soils clays and sands suggested in this study is applicable to the preliminary estimation of VS for the Korean deposits and is more reliable than the previous correlations proposed by other researchers.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.10
no.2
s.48
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pp.51-62
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2006
In the companion paper (I-Problem Statements of the Current Seismic Design Code), the current Korean seismic design code is required to be modified considering site characteristics in Korea for the reliable estimation of site amplification. In this paper, three site classification methods based on the mean shear wave velocity of the top 30m $V_{S30}$, fundamental site periods $(T_G)$ and bedrock depth were investigated and compared with each other to determine the best classification system. Not enough of a difference in the standard deviation of site coefficients $(F_a\;and\;F_v)$ to determine the best system, and neither is the difference between the average spectral accelerations and the design response spectrum of each system. However, the amplification range of RRS values based on $T_G$ were definitely concentrated on a narrow band than other classification system. It means that sites which have a similar behavior during earthquake will be classified as the same site category at the site classification system based on $T_G$. The regression curves between site coefficients and $T_G$ described the effect of soil non linearity well as the rock shaking intensity increases than the current method based on $V_{S30}$. Furthermore, it is unambiguous to determine sue category based on $T_G$ when the site investigation is performed to shallower depth less than 30m, whereas the current $V_{S30}$ is usually calculated fallaciously by extrapolating the $V_s$ of bedrock to 30m. From the results of this study, new site classification system based on $T_G$ was recommended for legions of shallow bedrock depth in Korea.
The volumetric pressure plate extractor (VPPE) was modified for the measurement of shear wave velocity ($V_s$) at various levels of matric suction as well as soil water characteristic curve (SWCC). A non-destructive technique with a pair of bender element (BE) was employed in order to measure the $V_s$ and the corresponding maximum shear modulus ($G_{max}$) of unsaturated soil specimens. Three types of soil were collected from different road construction sites in Korea. For all test soils, the variations in $G_{max}$ with the various levels of water content and matric suction were investigated using the developed apparatus. Compared with the preceding results from the suction-controlled torsional shear (TS) testing system and in-situ seismic tests, the feasibility fur evaluating modulus characteristics of unsaturated compacted soils with the developed VPPE-BE system was assessed. It was confirmed that the newly developed system would be potentially helpful in modeling seasonal variation of modulus.
Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies
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v.11
no.2
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pp.38-50
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2008
The site-specific seismic responses and corresponding seismic hazards are influenced mainly by the subsurface geologic and geotechnical dynamic characteristics. To estimate reliably the seismic responses in this study, a geotechnical information system (GTIS) within GIS framework was developed by introducing new concepts, which consist of the extended area containing the study area and the additional site visit for acquiring surface geo-knowledge data. The GIS-based GTIS was built for Gyeongju area, which has records of abundant historical seismic hazards reflecting the high potential of future earthquakes. At the study area, Gyeongju, intensive site investigations and pre-existing geotechnical data collections were performed and the site visits were additionally carried out for assessing geotechnical characteristics and shear wave velocity ($V_S$) representing dynamic property. Within the GTIS for Gyeongju area, the spatially distributed geotechnical layers and $V_S$ in the entire study area were reliably predicted from the site investigation data using the geostatistical kriging method. Based on the spatial geotechnical layers and $V_S$ predicted within the GTIS, a seismic zoning map on site period ($T_G$) from which the site-specific seismic responses according to the site effects can be estimated was created across the study area of Gyeongju. The spatial $T_G$ map at Gyeongju indicated seismic vulnerability of two- to five-storied buildings. In this study, the seismic zonation based on $T_G$ within the GIS-based GTIS was presented as regional efficient strategy for seismic hazard prediction and mitigation.
Downhole seismic method is very economic and easy of operation because it uses only one borehole and simple surface source to obtain the shear wave velocity ($V_s$) profile of a site. Even though it is widely used by the site investigation companies, universities and institutes, however, the $V_s$ profile determined by downhole seismic method has often low reliability due to employment of wrong combinations of field losing equipment and interpretation method and deficiency of experience. Round robin test was performed and testing equipment and procedure were compared. Adequate downhole seismic testing equipment was constructed based on the comparison and verification study of the round robin test. The data acquisition and software interpretation were also developed for automation and quick test in field. Finally, the effectiveness and applicability were verified through the field test by using the constructed testing system.
Song, Young Woo;Chung, Choong Ki;Park, Ka Hyun;Kim, Min Gi
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.38
no.2
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pp.357-367
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2018
Recent earthquakes in Gyeongju and Pohang have raised interest in liquefaction in South Korea. Liquefaction, which is a phenomenon that excessive pore pressure is generated and the shear strength of soil is decreased by repeated loads such as earthquakes, causes severe problems such as ground subsidence and overturning of structures. Therefore, it is necessary to identify and prepare for the possibility of liquefaction in advance. In general, the possibility of liquefaction is quantitatively assessed using the Liquefaction Potential Index (LPI), but it takes a lot of time and effort for performing site response analysis which is essential for the liquefaction evaluation. In this study, a simple method to evaluate the liquefaction potential without executing the site response analysis in a downtown area with a lot of borehole data was proposed. In this simple method, the correlation between the average shear wave velocity of the target location ground and the LPI divided by thickness of liquefiable layer was established. And the applicable correlation equation for various rock outcrop accelerations were derived. Using the 104 boreholes information in Seoul, the correlation equation between LPI and the shear wave velocity (ground water level: 0m, 1m, 2m, 3m) is obtained and the possibility of liquefaction occurrence in Seoul and Gyeongju is evaluated. The applicability of the proposed simple method was verified by comparing the LPI values calculated from the correlation equation and the LPI values derived using the existing site response analysis. Finally, the distribution map of LPI calculated from the correlation was drawn using Kriging, a geostatistical technique.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.9
no.4
s.44
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pp.29-42
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2005
Total 350 borehole profiles were selected from the database of borehole logs in Seoul, for the site-specific seismic evaluation at two 4km${\times}$4km plain areas. Equivalent-linear site response analyses for the selected 350 sites were conducted based on shear wave velocity (Vs) Profiles, which were determined from the N-Vs correlation established using borehole seismic testing results in the inland areas of Korea. Most sites were categorized as site classes C and D based on the mean Vs to 30 m in depth (Vs30) ranging from 250 to 550 m/s. The she periods of the plains in Seoul ranging between 0.1 and 0.4 sec were significantly lower than those of the western US, from which the site coefficients in Korea were derived. For plains in Seoul, the site coefficients, Fa's and Fv's specified in the Korean seismic design guide, underestimate the ground motion in short-period (0.1-0.5 sec) band and overestimate the ground motion in mid-period (0.4-2.0 sec) band, respectively, because ol the differences in the geotechnical conditions between Seoul and the western US, although the Fa's in several sites overestimate the motion due to the base Isolation effect resulted from the soft layer in soil deposit.
The site categorization and corresponding site amplification factors in the current Korean seismic design guideline are based on provisions for the western United States (US), although the site effects resulting in the amplification of earthquake ground motions are directly dependent on the regional and local site characteristic conditions. In these seismic codes, two amplification factors called site coefficients, $F_a$ and $F_v$, for the short-period band and midperiod band, respectively, are listed according to a criterion, mean shear wave velocity ($V_S$) to a depth of 30 m, into five classes composed of A to E. To suggest a site classification system reflecting Korean site conditions, in this study, systematic site characterization was carried out at four regional areas, Gyeongju, Hongsung, Haemi and Sacheon, to obtain the $V_S$ profiles from surface to bedrock in field and the non-linear soil properties in laboratory. The soil deposits in Korea, which were shallower and stiffer than those in the western US, were examined, and thus the site period in Korea was distributed in the low and narrow band comparing with those in western US. Based on the geotechnical characteristic properties obtained in the field and laboratory, various site-specific seismic response analyses were conducted for total 75 sites by adopting both equivalent-linear and non-linear methods. The analysis results showed that the site coefficients specified in the current Korean provision underestimate the ground motion in the short-period range and overestimate in the mid-period range. These differences can be explained by the differences in the local site characteristics including the depth to bedrock between Korea and western US. Based on the analysis results in this study and the prior research results for the Korean peninsula, new site classification system was developed by introducing the site period as representative criterion and the mean $V_S$ to a depth of shallower than 30 m as additional criterion, to reliably determine the ground motions and the corresponding design spectra taking into account the regional site characteristics in Korea.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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