Geotechnique

Cơ chế cơ học của các loại đất sét bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi thành phần của chất lỏng trong lỗ rỗng. Hơn nữa, việc tiếp xúc với các chất lỏng khác với chất lỏng trong lỗ rỗng có thể tạo ra một giai đoạn tạm thời trong đó các loại đất sét trải qua sự thay đổi thể tích đáng kể. Mục tiêu của bài báo này là điều tra những hiện tượng này và nguyên nhân của chúng. Để thực hiện điều này, một số lượng lớn mẫu ponza bentonite (chủ yếu được cấu thành từ Namontmorillonite) đã được bão hòa nước và tiếp xúc luân phiên với nước cất và với các dung dịch NaCl, KCl hoặc CaCl₂ bão hòa trong quá trình thử nghiệm cắt trực tiếp và thử nghiệm oedometer trong phòng thí nghiệm.

Việc tiếp xúc với bất kỳ một trong ba chất điện phân này đã làm cho các mẫu bị nén lại, giảm khả năng biến dạng và làm tăng mạnh độ bền cắt dư. Khi đạt trạng thái cân bằng, hành vi cơ học trở nên rất giống với các mẫu đã được chuẩn bị trực tiếp bằng dung dịch muối thích hợp làm chất lỏng trong lỗ rỗng. Đối với cả hai loại mẫu (tức là những mẫu chuẩn bị với chất điện phân và những mẫu tiếp xúc với nó), tác động của NaCl đều có thể đảo ngược khi mẫu được tiếp xúc lại với nước, trong khi các tác động của KCl và CaCl₂ vẫn tồn tại ngay cả sau vài tháng thử nghiệm liên tục.

Các kết quả thử nghiệm nhất quán với giả thuyết rằng sự thay đổi trong độ dày của lớp màng khuếch tán đã được tạo ra bởi sự khuếch tán của các ion vào hoặc ra khỏi đất sét. Phân tích nhiễu xạ X-quang cho thấy, trong các trường hợp KCl và CaCl₂, sự khuếch tán vào trong đã dẫn đến sự trao đổi ion. Do đó, sự giảm của lớp màng khuếch tán là vĩnh viễn, trong các điều kiện thí nghiệm đã cho, và khiến các hiện tượng thẩm thấu tiếp theo gần như không đáng kể.

Người ta nghi ngờ rằng trạng thái nén của các loại đất sét nén chặt được sử dụng làm rào chắn kỹ thuật cho việc xử lý chất thải hạt nhân là phụ thuộc vào thời gian, và rằng có thể có sự thay đổi tiếp theo trong vật liệu, ngay cả khi độ ẩm và mật độ không đổi. Bài báo này trình bày một cuộc điều tra về các thay đổi vi cấu trúc phụ thuộc vào thời gian của bentonite MX80 được nén ở các mật độ và độ ẩm khác nhau. Cuộc điều tra vi cấu trúc dựa trên các phép đo phân bố kích thước lỗ mao quản bằng phương pháp xâm nhập thủy ngân và hiển vi điện tử quét (SEM). Các kết quả thu được từ các nhà nghiên cứu khác bằng cách sử dụng phương pháp tán xạ tia X ở góc thấp cũng được sử dụng. Các mẫu nén tĩnh của MX80 đã được giữ ở thể tích và độ ẩm không đổi trong các khoảng thời gian khác nhau (1, 30 và 90 ngày) trước khi thực hiện xâm nhập thủy ngân và điều tra vi cấu trúc SEM. Một sự thay đổi đáng kể trong vi cấu trúc theo thời gian đã được quan sát, được đặc trưng bởi sự giảm bớt độ rỗng giữa các hạt và sự gia tăng tính rỗng rất mỏng không bị xâm nhập bởi thủy ngân (r < 3·7 nm). Quan sát trước liên quan đến việc lấp đầy các lỗ mao quản lớn giữa các hạt thông qua sự phồng lên, và quan sát sau liên quan đến các thay đổi xảy ra trong các tinh thể khi sự hút nước bị giảm. Những thay đổi này được giải thích dưới ánh sáng của một cuộc điều tra được thực hiện trên các mẫu tương tự bằng phương pháp tán xạ tia X ở góc thấp. Những thay đổi bên trong các tinh thể được điều chỉnh bởi sự xếp lớp dần dần của các phân tử nước giữa các lớp bên trong các hạt cùng với sự phân chia của các hạt, tạo nên một độ rỗng giữa các hạt phát triển bên trong các tinh thể.

This paper proposes an alternative mechanism of pile failure in liquefiable deposits during earthquakes. This failure mechanism, based on pile buckling, is formulated by back-analysing 14 case histories of pile foundation performance during earthquakes and verified using dynamic centrifuge tests. A new parameter, the slenderness ratio of a pile, is introduced to classify pile performance in liquefiable soils. This parameter fits very well both the reported case histories and the centrifuge test results.

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.

Synopsis

A clay with near perfect particle parallelism was prepared by consolidating a slurried kaolin in a large oedometer. Shear box samples trimmed at various angles to the compression direction revealed no significant difference in drained strength. Samples with original bedding normal and parallel to the shearing direction were interrupted at various displacements and thin sections prepared after impregnation with Carbowax. The sequence of microscopic shear structures shows that in both cases the features at peak strength result from simple shear conditions and that a continuous horizontal structure appears only towards the residual stage. Intermediate structures are interpreted in terms of the kinematic restraint imposed by the configuration of the box. Detailed examination of the development of kink-bands and compression textures lead to the notion of basal plane slip as the basic mechanism in shear induced structures.

Une argile ayant une orientation préférentielle quasi-parfaite a été préparée en consolidant une boue de kaolinite dans un œdomètre de grand diamètre. Des échantillons de cisaillement direct taillés suivant différentes orientations par rapport à la direction de consolidation produirent des résistantes au cisaillement comparables. Des échantillons à litage parallèle et perpendiculaire à la direction de cisaillement furent interrompus à plusieurs étages de déplacement, impregnés de Carbowax et découpés en lames minces pétrographiques. La succession des microstructures de cisaillement montre que dans les deux cas leur aspect à l'instant de la résistance maximum résulte de conditions de cisaillement simple, et qu'une structure horizontale continue n'apparait que vers la résistance résiduelle. Les structures intermédiares sont interprétées en fonction de la restriction cinématique imposée par la configuration de l'appareil à cisaillement. L'observation détaillée du développement de plis en S (kinkbands) et des textures de compression ammène à envisager le glissement suivant le clivage basique comme le mécanisme de base des structures de cisaillement.

The paper decscribes an investigation of the effects of confining pressure on the shear strength of frozen soil. Triaxial compression tests were conducted on two ice-saturated frozen soils to a confining pressure of 40 kip/sq.in.at – 10°C. The shear strength was observed to change with increasing mean stress in three distinct regions. At low mean stresses the shear strength remained constant or increased, at intermediate mean stresses the shear strength decreased, and at high mean stresses the shear strength increased. It is suggested that interpatricle friction and particle interlocking, unfrozen water content, pressure melting, and the ice/water phase change are the factors that most influence the triaxial compression behaviour of frozen soils.

La communication décrit une recherche relative aux effets de la pression latérale sur la résistance au cisaillement des sols gelés mesurée au triaxial. On a effectué des essais triaxiaux sur deux sols saturés gelés avec une pression latérale de 40 ksi à – 10°C. On a constaté qui'll y a trois possibilités de vaiation de la résistance au cisaillement avec l'augmentation de la contrainte moyenne. Aux faibles valeurs de contrainte moyenne. la réistance au cisaillement reste constante ou augmente, pour les valeurs intermédiatires de la contrainte moyenne, la résistance au cisaillement décroît et pour les grandes valeurs de la contrainte moyenne, la résistance au cisaillement augmente. On estime que les principaux facteurs an qui influencent le comportement des sols gelés en compression triaxiale sont le frottement intergranulaire, l'enchevêtrement des particules, le pourcentage d'eau non gelée, la pression de fusion de la glace et le changement de phase glace-eau.

Definitions of soil particle sphericity, roundness and roughness have existed since at least the 1930s. In the 1950s, charts of typical sphericity and roundness values were developed to alleviate tedious manual determination. They allowed users to classify particles by visual comparison to typical particles possessing ranges of sphericity and roundness. The original definitions and somewhat subjective chart methods are still widely used today. This paper describes robust numerical methods based on computational geometry to determine precisely the traditional values from two-dimensional images of particles. Statistical methods including locally weighted regression and K-fold cross-validation were used to discretise a mean particle surface and thereby quantify and remove roughness. The paper details the algorithms for identifying particle corners and fitting circles to them for computation of roundness. Conclusions are also drawn regarding the most appropriate definition for particle sphericity from among five that are commonly cited. Finally, recommendations are made for the minimum image resolutions and particle perimeter discretisation necessary to obtain accurate results.

Patterns of discharge processes of a granular material from plane containers are presented briefly. Rupture surfaces, interpreted here as shear bands, are a distinct feature of the flow patterns. Either a shock-like or a material character is attributed to the shear bands. A technique is shown for calculation of the energy dissipation rate within shear bands in softening materials. This technique is used in the limit analysis type of approach to the problem of extrusion of a strain-softening material through a pair of smooth flat dies, and to the discharge process of a granular material from a container. It is shown that the energy dissipation rate within a shear band in a non-steady (periodic) process may be lower than that in a steady-state flow. It is demonstrated that, if a criterion of minimum effort is used, periodic fluctuations in deformation patterns of softening materials can be predicted. The proposed analysis is size-sensitive; the scale effect is introduced through the assump tion that the shear band thickness is a material property. It is essential for the analysis that deformation mechanisms are considered as processes, not as incipient flow mechanisms (which is the case in the classical kinematical approach of limit analysis).

L'article présent brièvement des types de processus de déchargement d'une matière granuleuse à partir d'un récipient plat. Des surfaces de rupture, interprétées comme des bandes de cisaillement, forment une caractéristique très marquée de ces types d'écoulement. On attribue aux bandes de cisaillement une nature analogue à un impact ou bien une nature materielie. Une technique est présentée pour calculer la vitesse de dissipation d'énergie à l'intérieur des bandes dans des matières qui se ramollissent. Cette technique est utilisée dans l'analyse limite appliquée à l'extrusion d'une matière qui se ramollit à travers une paire de matrices planes et lisses et aussi au processus de déchargement d'une matière granuleuse à partir d'un récipient. On montre que la vitesse de dissipation d'énergie a' l'intérieur d'une bande de cisaillement dans un processus non-stationnaire (périodique) peut être inférieure à celle dans un éconlement stationnaire. Il est démontré que si on emploie un critère d'effort minimal, des variations périodiques dans les types de déformation des matières qui se ramolliint peuvent être prédites. L'analyse proposée dépend des grandeurs, l'effet d'échelle étant intro&t par l'hypothèse que l'épaisseur de la bande de cisaillement est une propriéte du materiau. Pour cette analyse il est essentiel que les mécanismes de déformation soient considérés comme des processus et non comme des mécanismes naissants d'écoulement, comme dans le cas de la méthode cinématique traditionnelle d'analyse limite.