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Proceedings of the 18
th
International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Paris 2013
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Test study and constitutive modelling of the time-dependent stress-strain behavior
of soils
Test et modélisation du comportementen fonction du temps de contrainte-déformation
comportement des sols
Yin J.-H., Tong F.
Department of Civil and Environmental Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China
ABSTRACT: This paper reports firstly the experimental data from one-dimensional (1D) straining oedometer tests and 2D
consolidated undrained compression (CU) tests on a bentonite (clay mineral montmorillonite) mixed with different percentages of
silicon sand. The 1D tests include (i) multi-staged loading tests with unloading/reloading and with creep and swelling and (ii) step-
changed constant rate of strain compression tests with unloading/reloading in 1D straining as well. From the test data, creep, swelling
and strain rate effects are observed and discussed. This paper introduces a new 1D Elastic Visco-Plastic model considering both creep
and swelling (called 1D EVPS) for soils in 1D straining based on the previous 1D Elastic Visco-Plastic (1D EVP) models. The 1D
EVPS model is used to simulate a step-changed changed constant rate of strain compression test with unloading/reloading in 1D
straining with comparison with measured data. In addition, the 1D EVPS model is used to simulate single-staged constant rate of
strain CU tests and relaxation tests. The typical results from a selected 2D CU test on a bentonite mixed 70% silicon sand under
effective cell pressure of 100 kPa in a triaxial state compressed with step-changed constant rate of strain and unloading-reloading are
presented and discussed in the paper. The 2D CU test data show clearly strain rate effects and unloading-reloading loops. The main
conclusions from the study are: (a) the stress-strain behaviour of a bentonite mixed with different percentages of silicon sand exhibits
strong dependence on time and strain rate; (b) in 1D straining condition, there exists a creep region when stress-strain state closer to
the normal consolidation line (NCL) and a swelling region when far away from the NCL; (c) the 1D EVPS model can re-produce well
the time-dependent stress-strain behaviour of the soil including creep, swelling, strain effects, relaxation, and unloading-reloading
loops in 1D straining condition; and (d) the data from 2D consolidated undrained triaxial compression tests on the bentonite-sand
mixture also show the strong strain effects and unloading-reloading loops.
RÉSUMÉ : Cet article rend compte d'une part les données expérimentales provenant unidimensionnel (1D) rude épreuve essais
oedométriques et 2D consolidés non drainés de compression (CU) des tests sur une bentonite (montmorillonite minérale) mélangé
avec des pourcentages différents de sable de silicium. Les tests 1D comprennent: (i) multi-étagées essais de charge avec déchargement
/ rechargement et avec un taux constant de fluage et gonflement et (ii) étape changé d'essais de compression de déformation avec le
déchargement / rechargement en 1D forcer ainsi. D'après les données d'essai, les effets du taux de fluage, gonflement et la tension sont
observées et discutées. Cet article présente une nouvelle 1D élastique visco-plastique modèle considérant à la fois au fluage et
gonflement (appelé EVP 1D) pour les sols en 1D égouttage sur la base de l'élastique 1D précédente visco-plastique (1D EVP) des
modèles. Le modèle 1D EVP est utilisé pour simuler une étape changé taux a changé constante de l'essai de compression souche avec
déchargement / rechargement en 1D forcer la comparaison avec les données mesurées. En outre, le modèle 1D EVP est utilisé pour
simuler une seule mise en scène constante de vitesse de déformation essais CU et des tests de relaxation. Les résultats typiques d'un
test sélectionné CU 2D sur une bentonite mélangée sable de silicium 70% sous la pression de cellule effective de 100 kPa dans un état
comprimé triaxial avec sa belle-changé vitesse de déformation constante et le déchargement-rechargement sont présentés et discutés
dans le document. Les données 2D essais CU montrent clairement la souche effets de taux et de déchargement-rechargement des
boucles. Les principales conclusions de l'étude sont les suivants: (a) le comportement contrainte-déformation d'une bentonite
mélangée avec différents pourcentages de sable de silicium présente une forte dépendance du temps et de la vitesse de déformation,
(b) dans un état tendu 1D, il existe une région de fluage lorsque le stress de souche état plus proche de la ligne de consolidation
normale (NCL) et une zone d'expansion quand loin de la NCL, (c) le modèle 1D EVP peut re-produire et dépendant du temps
comportement contrainte-déformation du sol, y compris au fluage, de l'enflure , les effets de déformation, de relaxation et de
déchargement-rechargement des boucles dans un état tendu 1D et (d) les données provenant 2D consolidés non drainés des essais de
compression triaxiale sur le mélange de bentonite et de sable montrent également les effets de contrainte forts et de déchargement-
rechargement des boucles.
KEYWORDS: Stress-strain, time-dependent, creep, swelling, relaxation, strain-rate, visco-plastic.
1. INTRODUCTION
The stress-strain behavior of all geomaterials is time- (or rate-)
dependent. The time-dependence of the stress-strain may be
neglected for some geomaterials such as hard rock and sand, but
cannot be ignored for some geomaterials such as soft rock and
clayey soils. The phenomena of the time-dependence include
creep, relaxation, the increase of the pre-consolidation pressure
with strain rates, swelling,
etc.
Among these, creep is the
compression with time under a constant stress; while swelling is
expansion with time under a constant stress, opposite to the
creep. It is found that some clayey soils exhibit both creep and
swelling such as soils containing clay mineral montmorillonite.
In this paper, the authors will report first the experimental data
from one-dimensional (1D) straining oedometer tests and
consolidated 2D undrained compression tests on a bentonite
mixed with different silicon sand contents. The 1D tests include
(i) multi-staged loading tests with unloading/reloading and with
creep and swelling and (ii) step-changed constant rate of strain
compression tests with unloading/reloading in 1D straining as
well. From the test data, creep, swelling and strain rate effects
are observed and discussed. The 2D tests include (i) multi-
Caractérisation expérimentale et odélisation du comportem nt contrainte-déformation
à dé endance u temps
