Characterization of nonlinear dynamic soil properties for seismic site response in Islamabad, Pakistan

Caracterización de las propiedades dinámicas no lineales del suelo para la respuesta sísmica en Islamabad, Pakistán

This study presents a detailed experimental characterization of the small-strain dynamic behavior of fine-grained soils in the Islamabad capital territory, Pakistan, an area of moderate to high seismic hazard with limited site-specific geotechnical data. A comprehensive series of resonant column tests was conducted on reconstituted silty clay and clayey silt samples collected from 15 boreholes across the region. Tests were performed under confining pressures of 50, 100, and 150 kPa to evaluate shear wave velocity, maximum shear modulus (G_max), the modulus reduction (G/G_max) with shear strain, and strain-dependent damping behavior. Results reveal that Islamabad soils are characteristically stiff at small strains, with Gₘₐₓ ranging from approximately 40–80 MPa and increasing systematically with confining pressure, while typical Vs values ranged from 160–260 m/s. The normalize shear modulus (G/G_max) curves showed moderate nonlinearity, with G/G_max reducing to 0.3–0.5 at maximum strain levels (~0.1–0.2%). Reference strain (γ_ref) values obtained from curve fitting fell between ~0.02–0.08%, further quantifying the onset of modulus reduction. Damping ratios increased from ~0.5% at microstrains to a maximum of 8–12% at higher strains, with minor variation across confining pressures. When compared with standard empirical models, the measured curves exhibited stiffer behavior and lower damping at equivalent strains, highlighting the importance of site-specific calibration. These findings provide critical input for improving seismic site response analyses in Islamabad, directly informing local microzonation studies and contributing to the refinement of Pakistan’s seismic design guidelines.

Este estudio presenta una caracterización experimental detallada del comportamiento dinámico de pequeña deformación en los suelos de grano fino del territorio de Islamabad, Pakistan, una área de riesgo sísmico de moderado a alto con limitada información geotécnica específica. Para ello se realizó una amplia serie de pruebas de columna resonante en muestras de arcilla limosa y limo arcilloso recolectadas en 15 perforaciones a lo largo de la región. Las pruebas se realizaron bajo presión de compresión de 50, 100 y 150 KPa para evaluar la velocidad de la onda transversal (Vs), módulo de corte máximo (Gₘₐₓ), el módulo de reducción (G/Gₘₐₓ) con corte máximo y comportamiento de amortiguamiento dependiente de la deformación. Los resultados muestran que los suelos de Islamabad son característicamente rígidos con pequeñas deformaciones, con un Gₘₐₓ que oscila entre aproximadamente 40 y 80 MPa y aumenta sistemáticamente con la presión de confinamiento, mientras que los valores típicos de Vs oscilaron entre 160 y 260 m/s. Las curvas de módulo de corte normalizado (G/Gₘₐₓ) mostraron una no linealidad moderada, con un G/Gₘₐₓ reduciéndose a 0,3-0,5 a niveles máximos de deformación (~0,1-0,2%). Los valores de deformación de referencia (γref) obtenidos del ajuste de la curva se situaron entre ~0,02 y 0,08%, lo que cuantifica aún más el inicio de la reducción del módulo. Los coeficientes de amortiguamiento aumentaron de ~0,5% a microdeformaciones hasta un máximo de 8-12% a deformaciones más altas, con una variación mínima a través de las presiones de confinamiento. En comparación con los modelos empíricos estándar, las curvas medidas mostraron un comportamiento más rígido y un menor amortiguamiento a deformaciones equivalentes, lo que resalta la importancia de la calibración específica del sitio. Estos hallazgos proporcionan información crucial para mejorar los análisis de respuesta sísmica del sitio en Islamabad, informando directamente los estudios de microzonificación local y contribuyendo al perfeccionamiento de las directrices de diseño sísmico de Pakistán.