Sand sheared by stresses with cyclic variations in direction

Abstract

The effects of rotating principal stress directions cyclically in sand under drained conditions are described. Other variables have been eliminated or made the subject of a separate assessment. The necessity of distinguishing between cyclic stress paths involving different rotations of principal stress directions is demonstrated. New aspects of material behaviour observed include a strong tendency of the major principal strain increment direction to follow with a phase lag the change in direction of the stress increment rather than stress. A new stress4ilatancy relationship is found in continuous cyclic rotation. The amplitude of this rotation establishes the minimum principal stress ratio σ1'/σ3' at which strain accumulates continuously, cycle by cycle, for any density of sand. In loose sand the same amplitude also controls the maximum compression achieved. As this compression increases with amplitude the same mechanism would account for the remarkably dense deposits of sand formed in the North Sea. The findings should be helpful in assessing the effects and risks of particular cyclic loading stress paths. For instance there is a risk of generating high pore pressures in dense sand as a result of some cyclic stress paths, but no risk if the directions of principal stress rotate contin- uously and particle crushing is not a factor. L'article décrit les effets de la rotation des directions principales de contraintes cycliques dam du sable sous des conditions drainées. D'autres variables ont été éliminées ou évaluées séparément. On démontre le besoin de faire une distinction entre les chemins de contrainte cycliques lors de différentes rotations des directions principales de contrainte. De nouveaux aspects du comportement de la matiére ont été observés. Par example, la direction principale de I'augmentation de déformation a une forte tendance à suivre avec un retard de phase le changement dans la direction de I'augmentation de déformation plûtot que la déformation elle-même. On a découvert un nouveau rapport entre dilatance et déformation dans la rotation cyclique continue. En effet l'amplitude de cette rotation établit le rapport de déformation principale minimal σ1'/σ3' auquel la déformation s'accumule cycle par cycle pour n'importe quelle densité du sable. Dans du sable lâche la même amplitude contrôle aussi la compression maximale obtenue. Comme cette compression s'accroît avec l'amplitude, le même mécanisme expliquerait les dépôts de sable extrêmement denses formés dam la Mer du Nord. Ces conclusions devraient aider dans l'évaluation des effets et des risques des chemins de déformation spécifiques du chargement cyclique. On court le risque, par exemple, de générer des pressions interstitielles élevées dans du sable dense comme résultat de certains chemins de déformation cyclique. Au contraire, il n'y a aucun risque si les directions de déformation principale tournent de façon continue et si I'écrasement des particules ne joue aucun rôle.