Geotechnique

The distinct element method is a numerical model capable of describing the mechanical behaviour of assemblies of discs and spheres. The method is based on the use of an explicit numerical scheme in which the interaction of the particles is monitored contact by contact and the motion of the particles modelled particle by particle. The main features of the distinct element method are described. The method is validated by comparing force vector plots obtained from the computer program BALL with the corresponding plots obtained from a photoelastic analysis. The photoelastic analysis used for the comparison is the one applied to an assembly of discs by De Josselin de Jong and Verruijt (1969). The force vector diagrams obtained numerically closely resemble those obtained photoelastically. It is concluded from this comparison that the distinct element method and the program BALL are valid tools for research into the behaviour of granular assemblies.

La méthode des éléments distincts est un modèle numérique capable de décrire le comportement mécanique de l'assemblage de disques et de sphères. La méthode est basée sur l'utilisation d'un système numérique explicite dans lequel l'interaction des particules est contrôlée contact par contact et le mouvement des particules simulé particule par particule. Les caracteristiques principales de la méthode des eléments distints sont décrites. La méthode est validée en comparant les tracés de vecteur de force obtenus par le programme sur ordicateur BALL avec les tracés correspondants obtanus a l'aide d'une analyse photo-élastique. L'analyse photo-élastique utilisée pour la comparaison est celle appliquée sur un assemblage de disques par De Josselin de Jong et Verruijt (1969). Les diagrammes de vecteur de force obtenus numériquement sont très voisins de ceux obtenus photo-élastiquement. Cette comparaison permet de conclure que la methode des éléments distincts et le programme BALL sont des instruments valables pour la recherche du comportement des assemblages granulaires.

Dữ liệu mở rộng về độ bền và độ giãn nở của 17 loại cát trong môi trường biến dạng đối xứng hoặc phẳng tại các mức độ đậm đặc và áp suất giới hạn khác nhau đã được tổng hợp. Góc trạng thái tới hạn của kháng cắt của đất, khi đất chịu cắt ở thể tích hằng định, chủ yếu là hàm của khoáng vật học và có thể dễ dàng xác định bằng thực nghiệm trong phạm vi sai số khoảng 1°, thường là khoảng 33° đối với thạch anh và 40° đối với fenspat. Góc cắt bổ sung của đất ‘đậm đặc’ liên quan đến tốc độ giãn nở của nó và sau đó là tỷ lệ mật độ tương đối và ứng suất hiệu quả trung bình mới, kết hợp trong một chỉ số độ giãn nở tương đối mới. Dữ liệu của ø′_max – ø′_crit trong môi trường biến dạng ba trục hoặc phẳng được tách riêng trong một phạm vi khoảng 2°, nhưng độ bền của một số loại cát bị đánh giá thấp trong phạm vi 1000–10000 kN/m² do sự tiếp tục giãn nở của hạt chống nghiền nát của chúng. Các hậu quả thực tiễn của những mối quan hệ mới này đã được đánh giá, liên quan đến các phương pháp thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và hiện trường.

Tác giả phân tích nhiều dữ liệu về độ bền và giãn nở của 17 loại cát dưới biến dạng phẳng hoặc đối xứng với các mức đậm đặc và áp suất khác nhau. Góc kháng cắt trong trạng thái tới hạn của đất khi chịu cắt với thể tích không đổi chủ yếu là hàm của khoáng vật học và có thể dễ dàng xác định với sai số 1°, như là 33° đối với thạch anh và 40° đối với fenspat. Góc bổ sung của đất đậm đặc phụ thuộc vào tốc độ giãn nở của nó cùng với tỷ lệ mật độ tương đối và ứng suất hiệu quả trung bình, được kết hợp trong một chỉ số giãn nở tương đối mới. Dữ liệu của ø′_max – ø′_crit trong môi trường biến dạng phẳng hoặc ba trục được tách biệt trong phạm vi khoảng 2°, mặc dù độ bền của một số loại cát bị đánh giá thấp trong khoảng từ 1000 – 10000 kN/m² do sự chịu đựng gây ra bởi nghiền nát hạt của chúng. Bài báo đánh giá hậu quả thực tiễn của những mối quan hệ mới này đối với các phương pháp thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và hiện trường.

The Paper presents a constitutive model for describing the stress-strain behaviour of partially saturated soils. The model is formulated within the framework of hardening plasticity using two independent sets of stress variables: the excess of total stress over air pressure and the suction. The model is able to represent, in a consistent and unified manner, many of the fundamental features of the behaviour of partially saturated soils which had been treated separately by previously proposed models. On reaching saturation, the model becomes a conventional critical state model. Because experimental evidence is still limited, the model has been kept as simple as possible in order to provide a basic framework from which extensions are possible. The model is intended for partially saturated soils which are slightly or moderately expansive. After formulating the model for isotropic and triaxial stress states, typical predictions are described and compared, in a qualitative way, with characteristic trends of the behaviour of partially saturated soils. Afterwards, the results of a number of suction-controlled laboratory tests on compacted kaolin and a sandy clay are used to evaluate the ability of the model to reproduce, quantitatively, observed behaviour. The agreement between observed and computed results is considered satisfactory and confirms the possibilities of reproducing the most important features of partially saturated soil behaviour using a simple general framework.

L'article présente un modèle constitutif pour décrire le comportement contrainte/déformation des sols partiellement saturés. Le modèle est formulé dans le cadre de la plasticité qui s'endurcit, en uti-lisant deux jeux indépendants de variables de contrainte, c'est-à-dire l'excès de la contrainte totale sur la pression de Pair et la succion. Le modèle peut représenter d'une façon logique et unifiée beaucoup des caractéristiques fondamentales du comportement des sols partiellement saturés qui avaient été traités séparément dans des modèles proposés précédemment. Lorsque la saturation est atteinte le modèle devient un modèle conventionnel d'état critique. Comme les données expérimentales restent encore limitées, le modèle d'été simpliné le plus que possible, afin de fournir un cadre de base à partir duquel des extensions sont possibles. Le modèle convicnt à des sols partiellement saturés qui sont expansifs à un degré faible ou modéré. Le modèle est d'abord formulé pour des états de contrainte isotropes et triaxiaux. Puis l'article décrit des prédictions typiques et les compare de façon qualitative avec des tendances caractéristiques du comportement des sols partiellement saturés. Les résultats de quelques essais régis par la succion eftectués dans le laboratoire sur du kaolin compact et sur une argile sablonneuse sont utilisés afin d'evaluer la capacité du modèle de reproduire de façon quantitative le comportement observé. On considère que les résultats observés et calculés s'accordent bien et qu'ils confirment les possibilités de reproduire les caractéristiques les plus importantes du comportement des sols partiellement saturés par l'utilisation d'un cadre général très simple.

Synopsis

Within the framework of limit equilibrium methods of stability analysis, no restriction need be placed at the outset upon the shape of the possible slip surface. In many cases, the critical surface may deviate significantly from a circle or a plane and therefore a method that facilitates the analysis of surfaces of arbitrary shape is of interest. A method for doing this is presented. The assumptions necessary to make the problem statically determinate are discussed. The solution of the governing equations ensures that all equilibrium and boundary conditions are satisfied. The method has been programmed for a digital computer and some examples of its application are given. Comparisons are also made with other methods of analysis.

Dans la cadre des méthodes d'équilibre limite d'analyse de stabilité, il n'y a pas besoin d'imposer de restrictions au départ sur la forme de la surface de glissement éventuelle. Dans bien des cas, la surface critique peut dévier d'une manière significative d'un cercle ou d'un plan at par conséquent une méthode qui facilite l'analyse des surfaces de formes arbitraires présente un intérêt. On présente une méthode pour accomplir cela. On discute des hypothèses nécessaires pour que le problème soit déterminé au point de vue de la statique. La solution des équations dominantes garantit que toutes les conditions d'équilibre et de limite soient satisfaites. La méthode a été programmée pour une calculatrice digitale et on donne quelques examples de ses applications. D'autres méthodes d'analyse y son comparées.

A deformation measurement system based on particle image velocimetry (PIV) and close-range photogrammetry has been developed for use in geotechnical testing. In this paper, the theory underlying this system is described, and the performance is validated. Digital photography is used to capture images of planar soil deformation. Using PIV, the movement of a fine mesh of soil patches is measured to a high precision. Since PIV operates on the image texture, intrusive target markers need not be installed in the observed soil. The resulting displacement vectors are converted from image space to object space using a photogrammetric transformation. A series of validation experiments are reported. These demonstrate that the precision, accuracy and resolution of the system are an order of magnitude higher than previous image-based deformation methods, and are comparable to local instrumentation used in element testing. This performance is achieved concurrent with an order of magnitude increase in the number of measurement points that can be fitted in an image. The performance of the system is illustrated with two example applications.

Synopsis

The aims, during the past 20 years, of the Cambridge research programme in soil mechanics are outlined. The principal objective is to develop an understanding of the stress–strain behaviour of soils so that reliable predictions can be made concerning their load-deformation characteristics at all working loads, rather than only loads at failure, in practical problems. A superstructure and its foundation can then be designed as a unit. The pressing need for the study of the load-deformation behaviour of soils in mixed boundary value problems at model scale is emphasized.

New versatile shear test equipment which can impose a wide range of stress and/or strain paths, together with non-destructive methods of checking the uniformity of the behaviour of specimens, are briefly described. Typical data are presented for one problem, illustrating the variation of the passive pressure on a retaining wall with the displacement of that wall into sand. A revised statement of the Mohr-Coulomb failure criterion is proposed which takes account of the observed evidence that rupture surfaces coincide with zero-extension lines. The relationships of stress with velocity characteristics are discussed and it is indicated how they might be used to determine the load-deflexion behaviour of any structure on or in the soil, even when the soil is not initially uniform. The immediate practical importance of centrifugal model tests is shown briefly.

Une esquisse est faite des buts, au cars des 20 dernières années, du programme de recherche de Cambridge relatif à la mécanique du sol. L'objectif principal est de réaliser une compréhension du comportement contrainte-déformation des sols afin que des prévisions sûres puissent être faites sur leurs caractéristiques de charge-déformation pour toutes les charges normales, plutôt que seulement pour les charges à la rupture, pour les problèmes pratiques. Une superstructure et sa fondation peuvent alors être dessinées sous forme d'une seule unité. On souligne le besoin urgent d'une étude du comportement charge-déformation des sols pour des problèmes de valeurs limites mixtes à l'échelle de la maquette.

Une brève description est donnée d'un matériel nouveau et souple d'essai au cisaillement qui peut imposer une gamme étendue de trajectoires de contraintes et/au de déformations, ainsi que des méthodes non destructives pour vérifier l'uniformité du comportement des échantillons. On présente des données typiques dans le cas d'un problème, qui donnent une illustration de la variation de la pression passive exercée sur un mur de soutènement par rapport au déplacement de ce mur pénétrant dans du sable. On propose une révision de l'énoncé du critère de rupture de Mohr-Coulomb qui tient compte des témoignages observés selon lesquels les surfaces de rupture coincident avec les lignes de déformation à zéro. On discute des rapports entre les caractéristiques de contrainte et de vitesse et l'on indique comment ils pourraient être utilisés pour établir le comportement charge-affaissement d'une structure quelconque sur ou dans le sol, même lorsque le sol n'est pas uniforme à l'origine. On indique brièvement l'importance pratique immédiate des essais de maquettes centrifuges.

Synopsis

Because of the significant influence of joints on important engineering properties of hard un-weathered rock, a description of such rock is inadequate for engineering purposes unless it includes reasonably complete and accurate information concerning the spacing and orientation of the joints. Such information can be obtained by means of a joint survey based on the examination of outcrops, of tunnel walls, and of borehole photographs, provided that adequate precautions are taken to eliminate the serious errors likely to occur in the interpretation of the results of such a joint survey. These errors arise from failure to take account of the fact that the orientation of drill holes and of tunnels, as well as that of exposed rock surfaces within a small area, commonly lack sufficient variety to ensure a reliable estimate of the relative abundance of joints of the several sets present in the area. The errors can generally be reduced to a tolerable level by correcting for the effects of non-random orientation of exposed rock surfaces, by making observations in an adequate number of appropriately orientated boreholes, and by plotting the results of the survey in polar diagrams which are corrected for the effect of the angle of intersection between the joints and the drill holes or exposed rock faces.

A cause de l'influence importante des joints sur les propriétés mécaniques de la roche dure intacte, une description de ces roches est insuffisante à des fins techniques à moins qu'elle comprenne des renseignements asses complets et précis sur l'espacement et l'orientation des joints. Ces renseignements peuvent s'obtenir par une etude de joints basée sur l'examen des affleurements, des murs de tunnels, et des photographies de trou de sondage, pourvu qu'on prenne des précautions suffisantes pour éliminer les erreurs sérieuses se produisant vraisemblablement dans l'interprétation d'une telle étude de joints. Ces erreurs se produisent parce qu'on ne tient pas compte du fait que l'orientation des trous de forage et des tunnels, ainsi que de celles des surfaces de roches exposées sur un petit territoire, n'est souvent pas asses variée pour permettre une évaluation sûre de l'abondance relative de joints des divers groupes présents sur le territoire. Les erreurs peuvent généralement être réduites à un niveau tolérable par des corrections pour les effets d'orientation non aléatoires des surfaces de roches exposées, en faisant des observations dans un nombre suffisant de trous de forage à peu prés orientés, et en tracant les resultats de l'étude sur des diagrammes polaires qui sont corrigés pour l'effet de l'angle d'intersection entre les joints, et les trous de forage ou les faces de roches exposées.