1

ELASTIC STIFFNESS MODULI OF HOSTUN

SANDUNIVERSITY OF BRISTOL 2007

UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA 2008

ENGINYERIA GEOLÒGICA

Albert Sunyer Amat

2

Abstracte:

• Interpretació de l’anisotropia natural d’un sòl testat mitjançant una tècnica relativament novedosa dita Bender/Extender elements.

• Tècnica duta a terme amb l’aparell triaxial amb diferents nivells de carga.

• Mètode Pluviation (assoliment d’una Dr).• Comparació dels resultats amb els del

d’un doctorat.

3

Introducció 1:

GEOFÍSICA

E, M, G, υ, etc.Coneixement del

comportament del sòl

Resposta del sòl front a: càrregues, explosions, sequera, inundacions, terratrèmols.etc.

4

Introducció 2:

• Rigides del sòl; G: G

G0

ln Є very small small large

Go útil per:

• Estimar la deformació de càrgues estàtiques.

• Canvis de profunditat del nivell freàtic com a resposta de l’infiltració.

• La forma de la cuveta d’assentaments provocats per excavacions subterrànies.

5

Antecedents 1:

Una de les expressions més recents utilitzades per el càlcul de G:

)()1(2

*

)(

)1(

max

ji

n

ak

ij v

S

eF

OCR pG

F(e)= ((0.3+0.7)*e2.

K=Constant que depen de la constant elàstica.

Pa=Pressió atmosfèrica.

S=Coeficient adimensional que depèn del pla ij.

n=constant empírica determinada

Hardin and Blandford (1989)

Assumint comportament elàstic en el camp de les petites deformacions ens permet calcular d’una manera més simple G:

G = ρ * Vs2

ρ=densitat

Vs=shear velocity

(M = ρ * Vp2)

ρ=densitat

Vs=compression velocity

6

Antecedents 2:

Fa més de 25 anys que s’estudia la rigidés del sòl.

Recercadors:• Belloti R., JamiolKowski M., Lo Presti D.C.F. i O’neill.• Jovicic i Coop.

Conclusió: la història geològica de la sedimentació del sòl i la seva conseqüent història de cargues tenen una influència en la rigides de qualsevol sòl.

Previs treballs desenvolupats a la University of Bristol:• PhD called Pulse Test on Soil Samples by Dr. Marcos Arroyo.• PhD called The Multiaxial Behaviour and Elastic Stiffness of Hostun Sand by Dr.

Sadek. (doctorat realitzat en el Cubical Cell Apparatus)• Thesis called The Use of Piezoelectric Transducers in the Measurement of Elastic

Moduli of Soils by Anna Viñas.

7

Sòl testat 1:

• Sorra de Hostun (àrea del Drôme al SE de França).• Color gris-beige-blanc.

• Bàsicament SiO2 (>98%).

• Mida de grà d’angular a sub-angular.

Propietats Físiques:Researcher D50

mm

U e min e max ρs

g/cm3

ρdmin

g/cm3

ρdmax

g/cm3

Alvarado (2000)

0.35 1.57 0.656 1.00 2.65 1.325 1.600

Fargeix (1986) --- --- 0.648 1.041 2.65 1.298 1.608

Colliat (1986) --- --- 0.624 0.961 2.65 1.351 1.632

8

Sòl testat 2:

0

20

40

60

80

100

0.010.11Grain size (mm)

Corba granulomètrica de la Hostun Sand:

9

Muntatge experimental 1:

Pluviation (Llatí pluvia):1. “Fer ploure” la sorra a través de l’aire

dins d’un recipient.2. Punt claus són:

2.1 Aconsegueix mostres uniformes i homogènies.2.2 No crea disturbis entre els grans.2.3 Menys efecte de segregació.2.4 Millor repetibilitat de resultats(independentment del testador).

3. Recomenat per Lo Presti at al. (1992) com millor tècnica que ASTM o British Standard vibratory methods.

Cilindre de dimensions 70x70mm

10

Muntatge experimental 2:

Parts de l’aparell:

Embut.

(Boquilla d’apertura 2.5cm).

Tamissos

6 de 3.35mm d’apertura i orientats 45º un respecte l’altre.

Cilindre vuit.

(Alçada de caiguda 17cm).

Cilindre col.locat a la base del Triaxial

11

Paràmetres que condicionen els resultats obtinguts amb el mètode Pluviation:

Muntatge experimental 3:

•Alçada de llançament (H)

•Mida de l’apertura de la boquilla (N)

•Quantitat i mida dels tamisos (S)

Influence of height of fall and the dimensions of the mould

0

20

40

60

80

100

120

0 100 200 300 400 500 600

Height of fall

Dr

(%) N=16mm

N=8,5mm

N=4mm

12

Muntatge experimental 4:

Size container 9,2cm diameter

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20 25

nozzle size

Dr(

%)

N=4mm

N=8mm

N=16mm

N=20mm

13

Muntatge experimental 5:

Càlcul de la Dr, (per aquest estudi Dr=65%)

1Ws

sVte

100minmax

max

ee

eeDr

Limitació bàsica del mètode Pluviation:

Si la sorra no és uniforme, tant la segregació horitzontal com vertical esdevé aparent.

Aparell Triaxial:

14

Muntatge experimental 6:

Bender/Extender elements: Piezoelecticitat.

Vertical B/E.

Horitzontal B/E.

- +

Signal field

Direction of polarization

-+

strain

Signal field

Direction of polarization

Parallel connected and same direction of polarization for bender transmitters.

Series connected and opposite direction of polarization for bender receivers

15

Muntatge experimental 7:

Line diagram showing the instrumentation connections to the B/E transducers, the oscilloscope, the charge amplifier and the sample.

•Elecció de la freqüència.

•Elecció de la forma de la ona.

•Near field effects.

16

•Elecció de la freqüència:La freqüència òptima d’exitació depèn de 2 factors:

1. La rigides del sòl.

2. La pressió aplicada a la cél.lula de Triaxial.

Muntatge experimental 8:

•Elecció de la forma de l’ona:

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004 0,0005 0,0006 0,0007 0,0008 0,0009 0,001

time (us)

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

0 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004 0,0005 0,0006 0,0007 0,0008 0,0009 0,001

time (us)

-300

-200

-100

0

100

200

300

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004 0,0005 0,0006 0,0007 0,0008 0,0009 0,001

time (us)

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

17

•Near Field Effects:

Muntatge experimental 9:

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001inp

ut

(V)

-125

-75

-25

25

75

125

ou

tpu

t (m

V)

input wave

output wave

Near field effects

Relacionat amb: Rd = d/λ = (d*f)/Vs

18

Tests desenvolupats i resultats 1:

ShvPhv

Sv

Pv

61mm

60mm

Shh

Phh

19

Tests desenvolupats i resultats 2:

Main pressures (KPa)

30 60 90 120 150

Sv velocity (m/s) 156 186 213 225 242

Shh velocity (m/s)

177 218 252 267 272

Shv velocity (m/s)

172 206 238 254 267

Main pressures (KPa)

30 60 90 120 150

Mv velocity (m/s)

235 272 317 335 354

Mhh velocity (m/s)

291 322 422 434 476

Mhv velocity (m/s)

303 322 422 434 476

20

Tests desenvolupats i resultats 3:

Main pressures (KPa)

30 60 90 120 150

Sv velocity (m/s) 179 193 224 234 253

Shh velocity (m/s)

181 201 230 254 288

Shv velocity (m/s)

176 208 234 252 279

Main pressures (KPa)

30 60 90 120 150

Mv velocity (m/s)

277 296 315 329 355

Mhh velocity (m/s)

272 301 338 397 444

Mhv velocity (m/s)

277 304 340 401 440

21

Tests desenvolupats i resultats 4:

Main pressures (KPa)

30 60 90 120 150

Sv velocity (m/s) 174 190 229 241 262

Shh velocity (m/s)

181 214 236 257 279

Shv velocity (m/s)

177 211 229 255 271

Main pressures (KPa)

30 60 90 120 150

Mv velocity (m/s)

244 266 311 349 401

Mhh velocity (m/s)

277 298 337 389 421

Mhv velocity (m/s)

291 299 339 391 425

22

Tests desenvolupats i resultats 5:

Main pressures (KPa)

30 60 90 120 150

Sv velocity (m/s) 156 177 190 219 239

Shh velocity (m/s)

179 209 223 244 268

Shv velocity (m/s)

172 208 221 251 270

Main pressures (KPa)

30 60 90 120 150

Mv velocity (m/s)

239 259 289 332 398

Mhh velocity (m/s)

300 336 367 390 413

Mhv velocity (m/s)

300 330 364 386 410

23

Tests desenvolupats i resultats 6:

Pressures vs Modulus

30 KPa 60 KPa 90 KPa 120 KPa 150 KPa

Gv (MPa) 36 50 67 76 87

Ghh (MPa) 46 71 94 106 110

Ghv (MPa) 44 63 84 96 106

Mv (MPa) 82 110 150 167 187

Mhh (MPa) 126 155 266 281 337

Mhv (MPa) 136 155 266 281 337

Relationship Ghh/Ghv Mh/Mv

Value: 1.08 1.65

Sadek’s (2006): 1.19 1.37

24

Tests desenvolupats i resultats 7:

10

100

1000

10 100 1000

Mean eff ective stress p' (KPa)

Gv

Ghh

Ghv

Dr Tarek's Ghh

Dr Tarek's Ghv

25

Tests desenvolupats i resultats 8:

10

100

1000

10 100 1000

Mean eff ective stress p' (KPa)

Mv

Mhh

Mhv

Dr Sadek's Mh

26

Tests desenvolupats i resultats 9:

1,120198199 1,121107266

1,110012755

1,036694215

1,025

1,075

1,125

1,175

1,225

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Mean eff ective stress p' (KPa)

Data from the author Averaged data from the author

Data from Dr Sadek Averaged data from Dr Sadek

1.24

1.27

1.3

1.33

1.36

1.39

1.42

1.45

1.48

1.51

1.54

1.57

1.6

1.63

1.66

1.69

1.72

1.75

1.78

30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150Mean effective stress p' (KPa)

Mh

/Mv

Data from Dr. Sadek Data from the author

Averaged data from the author Averaged data from Dr. Sadek

27

Discusions i conclusions:

• La subjectivitat a l’hora de determinar la primera inflexió en l’output degut a (near field effects).

• La forma del recipient que alberga la sorra.

• El tipus d’aparell usat (CCA, TT..etc.)

Suggeriments pel futur:

• Usar altres formes i dimesions del container.• Posar fibres de diferents materials dins la sorra.• Cambiar la humitat del sòl.