Modeling indirect tensile yield and failure behaviors of frozen clay soils

ABSTRACT: Characterizations on the tensile yield behaviors of frozen soils under a warming environment are critical for predicting geological disasters such as thawing-induced slumps. In this study, finite element modeling is conducted to simulate the yield and failure behaviors of frozen clay soils at different frozen temperatures. Simulated numerical tests include Brazilian disc tests and the double punch tests on artificially prepared frozen clay soils, where laboratory test data is available. Stress paths of key monitoring points are collected and analyzed. Our results show that Brazilian disc tests on frozen clay soils will overestimate the sample's tensile strength because the plastic hardening results in a larger contacting area between the loading tool and the sample's surface. By contrast, a double punch test is an effective approach in measuring tensile strength. Numerical tests are also carried out on samples with different dimensions to investigate the sample size effect on double punch test results.

RÉSUMÉ: Les caractérisations des comportements d'élasticité des sols gelés dans un environnement de réchauffement sont essentielles pour prédire les catastrophes géologiques telles que les effondrements induits par le dégel. Dans cette étude, une modélisation par éléments finis est effectuée pour simuler les comportements de rendement et de défaillance des sols argileux gelés à différentes températures gelées. Les tests numériques simulés comprennent les tests de disques brésiliens et les tests de double poinçonnage sur des sols argileux congelés artificiellement préparés, pour lesquels des données de test en laboratoire sont disponibles. Les chemins de stress des principaux points de surveillance sont collectés et analysés. Nos résultats montrent que les tests de disques brésiliens sur des sols argileux congelés surestimeront la résistance à la traction de l'échantillon car le durcissement du plastique entraîne une plus grande zone de contact entre l'outil de chargement et la surface de l'échantillon. En revanche, le test du double poinçon est une approche efficace pour mesurer la résistance à la traction. Des tests numériques sont également effectués sur des échantillons de dimensions différentes pour étudier l'effet de la taille de l'échantillon sur les résultats des tests à double poinçon.