Soil-Bender element interaction: numerical and experimental results

Hongwei Liu, Giovanni Cascante, Pooneh Maghoul, Ahmed Shalaby

Dans les comptes rendus d’articles de la conférence: GeoNiagara 2021: 74th Canadian Geotechnical Conference; 14th joint with IAH-CNC

RÉSUMÉ: Le test d'élément de cintrage (BE) a été largement utilisé pour la caractérisation dynamique d'échantillons de sol à des niveaux de déformation à faible cisaillement (c.-à-d. Module de cisaillement, vitesse de l'onde de cisaillement). Cependant, le comportement réel du BE à l'intérieur d'un spécimen de sol reste inconnu. Ainsi, la norme ASTM actuelle ne prend pas en compte l'interférence des ondes de compression et de cisaillement (ondes P, ondes S) dans les tests BE, ce qui peut conduire à des erreurs significatives dans l'évaluation des vitesses des ondes de cisaillement; qui sont critiques pour la caractérisation dynamique des sols. Cet article présente un résumé des principaux résultats présentés par Liu et al. (2021). L'objectif principal de cet article est de présenter un modèle numérique du système BE pour mieux comprendre la réponse des BE à l'intérieur d'un échantillon de sol. Le modèle est étalonné, vérifié, puis utilisé pour démontrer l'importance de prendre en considération l'interaction entre les ondes de compression et de cisaillement (par exemple les ondes P et les ondes S) pour l'interprétation correcte des mesures BE. Le mouvement BE à l'intérieur de différents milieux est étudié en utilisant un modèle d'éléments finis (FE) couplés piézoélectrique et mécanique solide ainsi que des mesures par vibromètre laser. Les résultats du modèle numérique sont comparés au mouvement réel du BE. Le modèle a capturé avec succès les vibrations mesurées du BE dans l'air ainsi qu'à l'intérieur d'un sol transparent. Plus important encore, les simulations numériques fournissent une nouvelle compréhension des interactions significatives des ondes P et des ondes S, en particulier dans les sols argileux. De plus, le modèle prédit également correctement les vibrations induites à la surface d'un spécimen de sable d'Ottawa par l'émetteur BE. Les caractéristiques dynamiques de l'éprouvette sont obtenues à partir d'essais indépendants sur colonne résonnante. Ainsi, le modèle de mécanique couplé piézoélectrique et solide proposé peut être utilisé pour étudier l'interaction échantillon-BE afin que des recommandations solides puissent être données pour améliorer l'interprétation des tests BE dans différents sols.

ABSTRACT: The bender element (BE) test has been widely used for the dynamic characterization of soil specimens at low-shear strain levels (i.e. shear modulus, shear wave velocity). However, the actual behavior of the BE inside a soil specimen remains unknown. Thus, the current ASTM standard does not consider the interference of compressional and shear waves (P-waves, S-waves) in BE testing, which can lead to significant errors in the evaluation of shear wave velocities; which are critical for soil dynamic characterization. This paper presents a summary of the main results presented by Liu et al. (2021). The main objective of this paper is to present a numerical model of the BE system to better understand the response of the BEs inside a soil sample. The model is calibrated, verified, and then used to demonstrate the importance of taking into consideration the interaction between compressional and shear waves (e.g. P-waves and S-waves) for the correct interpretation of BE measurements. The BE motion inside different media is studied using a coupled piezoelectric and solid mechanics finite element (FE) model as well as laser vibrometer measurements. The results of the numerical model are compared with the real motion of the BE. The model successfully captured the measured vibrations of the BE in air as well as inside transparent soil. More importantly, the numerical simulations provide a new understating of the significant interactions of P-waves and S-waves especially in clay soils. In addition, the model also correctly predicts the vibrations induced on the surface of an Ottawa sand specimen by the transmitter BE. The dynamic characteristics of the specimen are obtained from independent resonant column tests. Thus, the proposed coupled piezoelectric and solid mechanics model can be used to study the specimen-BE interaction so that sound recommendations can be given to improve the interpretation of BE tests in different soils.

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