Unexpected collapses during isotropic consolidation of model granular materials

AbstractThis paper reports the unexpected instantaneous instabilities of idealized granular materials under simple isotropic drained compression. Specimens of monosized glass beads submitted to isotropic compression exhibit a series of local collapses under undetermined external stress with partial liquefaction, experience sudden volumetric compaction and axial contraction of various amplitude. Short-lived excess pore water pressure vibrates like an oscillating underdamped system in the first dynamic transient phase and rapidly disperses in the subsequent longer dissipation phase. However, very dense samples maintain a collapse-free behaviour below a threshold void ratio e30col at 30 kPa of stress. The potential mechanisms that could explain these spontaneous collapses are discussed

Influence de l'histoire des préchargements drainés sur le comportement à la liquéfaction du sable d'Hostun très lâche

Ce travail apporte de nouveaux éclaircissements sur les effets du préchargement drainé sur le comportement à la liquéfaction des sables très lâches à l appareil triaxial. Le préchargement préalable à l écrasement non drainé est traduit par de simples chemins triaxiaux linéaires en contraintes à partir d un état initial isotrope couvrant l ensemble du plan triaxial (q p ) en extension et en compression. Pour éviter l influence de la densité, l indice des vides doit être très lâche et quasiment identique pour cette étude. Les résultats expérimentaux ont permis de développer le mécanisme d histotropie des sables très lâches. De nouveaux aspects ont été identifiés à savoir une dépendance directionnelle du gradient initial des chemins de contraintes traduisant une anisotropie induite, un large domaine pseudo-élastique jusqu au pic du déviateur, une apparition progressive de la dilatance définissant une ligne de transformation de phase unique, et une évolution en trois étapes du comportement non drainée : liquéfaction partielle, liquéfaction temporaire, et stabilité complète. La direction et la longueur des chemins de préchargement sont les deux paramètres essentiels gouvernant ces aspects. Des analyses détaillées sont présentées concernant les conditions d initiation et la susceptibilité à l instabilité notamment dans le plan (e -Log p ), chute ou perte de la résistance non drainée, et une simulation théorique selon le modèle élasto-plastique CJS. L introduction du mécanisme d histotropie s avère alors primordiale pour caractériser le comportement non drainé en complément aux deux mécanismes connus qui sont la pyknotropie et la barotropie.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Frottement saccadé dans les matériaux granulaire modèles

Cette étude a pour objectifs la caractérisation expérimentale des frottements saccadés dans les matériaux granulaires modèles constitués des billes de verre monodisperses en compression triaxiale drainée et l'identification des paramètres de contrôle. Cinq paramètres macroscopiques caractérisent ces frottements saccadés : la chute de déviateur et la contraction volumique, l'intermittence de déformation axiale, le module d'Young et le coefficient de Poisson. Les frottements saccadés affectent simultanément le déviateur et la déformation volumique. Le comportement macroscopique est globalement contractant tandis que le matériau tend vers un état limite critique en grandes déformations, à la manière des sables lâches. Cependant il présente localement, dans les phases de blocage qui suivent immédiatement les ruptures temporaires, le comportement dilatant des sables denses, qui obéit à une relation contrainte-dilatance linéaire et unique. Les frottements saccadés disparaissent au-delà d'une vitesse critique d'écrasement axial, qui dépend de la contrainte de confinement et de la taille des grains. Le module d'Young dynamique par propagation d'ondes varie avec la contrainte de confinement selon une loi de puissance. Le module d'Young quasi-élastique au départ des phases de blocage est constant à l'intérieur du domaine élastique, de même que le coefficient de Poisson. Le suivi par granulométrie laser et par analyse d'images des matériaux après un ou plusieurs essais triaxiaux permet de suivre l'évolution de la taille moyenne et de la forme des grains. Tandis que les instabilités par saccade disparaissent suite à un certain nombre d'essais, on observe, simultanément à une légère diminution du volume moyen, l'apparition progressive de populations d'objets non sphériques par une fusion des grains analogue au frittage.The objectives of this study are the experimental characterisatino of the stick-slip instabilities in a model granular material and the identification of relevant control parameters. As monodisperse glass beads are subjected to drained triaxial compression tests, five macroscopic parameters characterize the stick-slip phenomenon: the deviator drop, the jump in volumetric contraction, the intermittence of the axial strain, Young s modulus and Poisson s ratio. The stick-slip events simultaneously affect the deviator stress and the volumetric strain. While the global material behavior is that of a loose sand, gradually contracting and hardening as it approaches its large strain critical state, its response in the stick phases immediately following the slip instabilities is similar to that of dense, dilatant sands, with a unique, linear stress-dilatancy relationship. Stick-slip events disappear beyond a critical axial strain rate, depending on the confining stress and on the grain diameter. The Young modulus associated to wave propagation varies with the confining stress according to a power law. The quasi-elastic modulus measured at the beginning of the stick phase is constant inside the elastic domain, as well as the Poisson ratio. The evolution of grain size and shape after one or several triaxial tests is monitored by laser granulometry and image analysis. The gradual vanishing of stick-slip events, on repeating the tests, is likely related to the global decreasing trend of average particle volume and to the formation of non-spherical objects, apparently by some phenomenon analogous to sintering.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocVILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

Stick-slip behaviours of dry glass beads in triaxial compression

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Interpretation of the stiffness and permeability of Sand-Kaolin mixtures in the framework of homogenization

This study deals with the behaviour of mixtures of sand and saturated kaolin paste considered as composite materials made of permeable and deformable (with non-linear behaviour) matrix (the kaolin paste) with rigid and impervious inclusions (the sand grains). Oedometric and permeability tests conducted on such mixtures highlight the key role of the state of the clay paste, and show the existence of a threshold of sand grain concentration above which a structuring effect influences both modulus and permeability. At the light of these experiments, the usual and tangent homogenization process (with simplifying assumptions to make the problem manageable) has been applied to estimate the mixture permeability and tangent compressibility. Qualitative and quantitative comparisons with experimental data point out the domain of interest and the limitations of such approaches.<br>O estudo lida com o comportamento de misturas compostas por areia e uma pasta de caulinita considerada um material composto feito de uma matriz (caulinita) permeável e deformável (com comportamento não-linear) com inclusões rígidas e impermeáveis (grãos de areia). Testes de permeabilidade e odométricos conduzidos nestas misturas enfatizam o papel chave de estado da pasta argilosa e mostram a existência de uma concentração crítica de grãos de areia com efeito estruturante que influencia o módulo e a permeabilidade. Sob a luz destes experimentos o processo de homogeneização usual e tangente (com hipóteses simplificadoras para tornar o problema tratável) foi aplicado para estimar a permeabilidade da mistura e a compressibilidade tangente. Comparações qualitativas e quantitativas com dados experimentais apontam o domínio de interesse bem como a limitação destas abordagens