Experimental study of the anisotropic flow deformation and critical state of sand

Abstract

The optimization of the geotechnical design and the realistic analysis of the geotechnical problems require the deep understanding of the mechanical behaviour of soils subjected to complex loading. The aim of the present study is to conduct complex loading tests in the hollow cylinder apparatus for investigating the effect of fabric anisotropy on the mechanical behaviour of sand. Specifically, the way fabric anisotropy affects the sand’s vulnerability to flow deformation is placed under investigation. Monotonic loading tests were conducted on isotropically consolidated sand with fixed direction angle, α, of the axis of the major principal stress, σ1, with respect to the vertical direction of deposition, constant intermediate principal stress ratio, b = (σ2 - σ3) / (σ1 - σ3), and constant mean total stress, p. In a different set of experiments the effect of the continuous rotation of the stress principal axes on the mechanical behaviour of anisotropically consolidated sand was investigated. The parameters b and p were kept constant during the rotation of the stress principal axes while the deviatoric stress, q, was either kept constant or increased. By these means the influence of both the rate of principal stress rotation and consolidation stress ratio, Kc = σ’3c / σ’1c, was studied. It was proved experimentally that the deviatoric stress ratio, η = q / p’, at the triggering of flow deformation is not a unique function of α, as stated in the literature, but instead depends on the stress – strain history. Τhe second part of the present study aims at giving an answer to a very important question raised recently in the literature: should the Critical State Theory (CST) be revisited in order to take into account the effects of fabric anisotropy? The CST constitutes the main framework for developing constitutive models that simulate the mechanical behaviour of geomaterials and other granular materials. However, the CST is incomplete in the sense that it does not take into consideration the effects of fabric anisotropy on the behaviour of granular materials at critical state, which are quite influential according to the results of contemporary studies. For this reason, the Anisotropic Critical State Theory (ACST) was recently developed, and a thought experiment was proposed proving that ACST enhances and completes the classical CST. The thought experiment requires that a sand specimen is brought to critical state by means of monotonic loading with fixed stress principal axes. Thereafter, the stress principal axes are rotated while keeping the effective stress principal values constant. The question raised is whether the sand will remain at or abandon the critical state. In the present study, the rotation of the stress principal axes was conducted at stress states progressively closer to the critical state determined for the sand under examination. The experimental results corroborate the claim that the ACST constitutes a necessary revision of the classical CST. Moreover, it is shown that both the dilatancy and non-coaxiality of sand depend on the stress – strain history. Finally, it is worth noting that the hollow cylinder apparatus of the National Technical University of Athens was upgraded for the needs of the present study and that the loading tests presented in the thesis were performed for the first time in Greece.

Η βελτιστοποίηση του σχεδιασμού των γεωτεχνικών έργων και η ρεαλιστική ανάλυση των γεωτεχνικών προβλημάτων απαιτεί την εις βάθος κατανόηση της μηχανικής συμπεριφοράς των εδαφικών υλικών που υποβάλλονται σε σύνθετες μηχανικές καταπονήσεις. Η παρούσα εργασία θέτει ως στόχο την εκτέλεση πειραματικών δοκιμών σύνθετης φόρτισης στη συσκευή στρεπτικής διάτμησης κοίλου κυλινδρικού δοκιμίου ώστε να διερευνηθεί η επίδραση της ανισοτροπίας της εσωτερικής δομής στη μηχανική συμπεριφορά της άμμου. Συγκεκριμένα, εξετάστηκε ο τρόπος με τον οποίο η ανισοτροπία της εσωτερικής δομής επηρεάζει την τρωτότητα της άμμου έναντι ρευστοποίησης. Εκτελέστηκαν δοκιμές μονότονης φόρτισης σε ισότροπα στερεοποιημένη άμμο με σταθερή γωνία προσανατολισμού, α, του άξονα της μέγιστης κύριας τάσης, σ1, ως προς την κατακόρυφο κατεύθυνση απόθεσης, σταθερό λόγο ενδιάμεσης κύριας τάσης, b = (σ2 - σ3) / (σ1 - σ3), και σταθερή μέση ολική τάση, p. Σε ένα ξεχωριστό σύνολο πειραματικών δοκιμών μελετήθηκε η επίδραση της συνεχούς στροφής των κύριων αξόνων της τάσης στη μηχανική συμπεριφορά της ανισότροπα στερεοποιημένης άμμου. Κατά την στροφή των κύριων αξόνων της τάσης οι παράμετροι b και p διατηρήθηκαν σταθερές ενώ η αποκλίνουσα τάση, q, είτε αυξήθηκε μονότονα είτε διατηρήθηκε σταθερή. Με αυτόν τον τρόπο μελετήθηκε τόσο η επίδραση του ρυθμού της στροφής των κύριων αξόνων της τάσης όσο και του λόγου τάσεων στερεοποίησης, Kc = σ’3c / σ’1c. Αποδείχθηκε πειραματικά ότι ο αποκλίνων λόγος τάσεων, η = q / p’, στο σημείο εκκίνησης της ρευστοποίησης δεν είναι μία μοναδική συνάρτηση της γωνίας προσανατολισμού, α, της μέγιστης κύριας τάσης, όπως διατυπώνεται στη βιβλιογραφία, αλλά αντιθέτως εξαρτάται από την ιστορία φόρτισης. Το δεύτερο σκέλος της παρούσας διατριβής στοχεύει στο να δώσει απάντηση σε ένα πολύ σημαντικό ερώτημα που διατυπώθηκε πρόσφατα στη διεθνή βιβλιογραφία: είναι αναγκαία η αναθεώρηση της Θεωρίας Κρίσιμης Κατάστασης (ΘΚΚ) ώστε να λαμβάνει υπόψη την επίδραση της ανισοτροπίας της εσωτερικής δομής; Η ΘΚΚ αποτελεί το κύριο πλαίσιο ανάπτυξης καταστατικών προσομοιωμάτων της μηχανικής συμπεριφοράς των γεωϋλικών και άλλων κοκκωδών υλικών. Μολαταύτα, η ΘΚΚ δεν λαμβάνει υπόψη την επίδραση της ανισοτροπίας της εσωτερικής δομής στη συμπεριφορά των κοκκωδών υλικών στην κρίσιμη κατάσταση, η οποία είναι ιδιαίτερα σημαντική σύμφωνα με τα ευρήματα σύγχρονων μελετών. Για τον λόγο αυτό η Θεωρία Ανισοτροπικής Κρίσιμης Κατάστασης (ΘΑΚΚ) αναπτύχθηκε πρόσφατα, και προτάθηκε ένα ιδεατό πείραμα που αποδεικνύει ότι η ΘΑΚΚ επεκτείνει και καθιστά πλήρη την κλασσική ΘΚΚ. Σύμφωνα με το πείραμα αυτό ένα δοκίμιο άμμου υποβάλλεται σε μονότονη φόρτιση με παγιωμένους του κύριους άξονες τάσης μέχρι να φτάσει στην κρίσιμη κατάσταση. Ενώ η άμμος βρίσκεται στην κρίσιμη κατάσταση, επιβάλλεται στροφή των κύριων αξόνων της τάσης, με τις κύριες ενεργές τιμές της τάσης να διατηρούνται σταθερές. Το ερώτημα που τίθεται είναι αν το υλικό θα παραμείνει στην κρίσιμη κατάσταση ή θα την εγκαταλείψει. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής εκτελέστηκε μία αλληλουχία πειραματικών δοκιμών που προσεγγίζει προοδευτικά το ιδεατό πείραμα, αφού προηγουμένως προσδιορίστηκε η κρίσιμη κατάσταση της εξεταζόμενης άμμου. Τα πειραματικά αποτελέσματα υποστηρίζουν τον ισχυρισμό ότι η ΘΑΚΚ αποτελεί μία αναγκαία αναθεώρηση της κλασσικής ΘΚΚ. Επίσης, εδείχθει ότι τόσο η διαστολικότητα όσο και η μη-ομοαξονικότητα της άμμου εξαρτώνται από την ιστορία τάσεων και παραμορφώσεων. Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι για τις ανάγκες της παρούσας έρευνας απαιτήθηκε η αναβάθμιση της συσκευής στρέψης κοίλου κυλινδρικού δοκιμίου του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και ότι οι δοκιμές φόρτισης που παρουσιάζονται στη διατριβή εκτελέστηκαν για πρώτη φορά στον Ελλαδικό χώρο.