Creep and Stress Relaxation Behavior in Sand

Hamid Karimpour, Poul Lade

In the proceedings of: GeoMontréal 2013: 66th Canadian Geotechnical Conference; 11th joint with IAH-CNC

Session: Soil and Rock Mechanics IV

ABSTRACT: Creep and stress relaxation behavior of granular material related to particle crushing which is due to static fatigue or delayed fracture phenomenon (i.e. breakage of brittle materials with time at stresses lower than their short term strength) have been studied by performing triaxial compression tests on dense Virginia Beach sand specimens at high confining pressures (i.e. 8000 kPa). The results showed that specimens underwent higher amount of creep strains and stress relaxation when initiated at higher deviator stress levels. Specimens initially sheared at higher strain rates also experienced higher creep strains and stress relaxations. Sieve analysis performed at the end of each experiment and the amount of particle crushing was quantified using Hardin™s relative breakage factor. For creep experiments, results indicated that particle crushing is proportional to the amount of energy input per volume and creep strains recorded. For stress relaxation experiments, since no energy was applied to the specimen, no significant particle crushing was observed. Structuration effects (changes in yield surface location during creep or stress relaxation) were not observed in dense Virginia Beach sand. In other words, when loading continued after creep or stress relaxation, the stress strain relation smoothly followed the reference stress-strain curve as the deviator stress approached the reference curve. During the creep and stress relaxation experiments, the volume change curve did not deviate from the observed curve during loading. This study showed that the particle breakage due to static fatigue, rearrangement of the grain structure and establishment of new load chain in the medium can adequately explain time effects in granular materials.

RÉSUMÉ: Le fluage et le comportement de relaxation de contrainte des matériaux granulaires liés au broyage des particules dû à la fatigue statique ou au phénomène de rupture différée (c™est-à-dire, la rupture des matériaux fragiles avec le temps à des contraintes plus faibles que leur résistance à court-terme) on été étudiés en exécutant des expériences de compression triaxiale sur des spécimens de sable dense de Virginia Beach à des pressions de confinement élevées. Les résultats indiquent que les spécimens ont subi un plus grand montant de déformations de fluage et de relaxations de contrainte lorsque initié à des niveaux de contrainte déviatorique élevés. Pareillement, les spécimens initialement cisaillés à des vitesses de déformation plus élevées ont connu des déformations de fluage et des relaxations de contrainte plus élevées. Les analyses granulométriques réalisées à la fin de chaque expérience et la quantité de broyage des particules ont été quantifiées en utilisant le facteur de rupture relative de Hardin. Pour les expériences de fluage, les résultats indiquent que le broyage des particules est proportionnel au montant d™énergie fournie et aux déformations de fluage mesurées. Pour les expériences de relaxation de contrainte, puisqu™aucune énergie n™était fournie, aucun broyage des particules n™a été observé. Les effets de la structuration (changement d'emplacement de la surface limite lors du fluage ou de la relaxation de contrainte) n'ont pas été observés dans les sables denses de Virginia Beach. En autres mots, lorsque le chargement continuait après le fluage ou la relaxation de contrainte, la relation contrainte-déformation suivait la courbe contrainte-déformation référence alors que la contrainte déviatorique rapprochait la courbe de référence. Au cours des expériences de fluage et de relaxation de contrainte, la courbe de variation de volume n'a pas dévié de la courbe observée pendant le chargement. Cette étude a démontré que le broyage des particules dû à la fatigue statique, au réarrangement de la structure du grain et à l™établissement d™une nouvelle chaine de chargement dans le matériel peut convenablement expliquer les effets du temps dans les matériaux granulaires.

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