Some experimentally based fundamental results on the mechanical behaviour of granular materials

Abstract

Porosity (or void ratio) is one of the most important index measures of granular materials. It alone is not, however, enough for a reasonably complete description of the basicproperties of materials of this kind. The fabric ellipsoid appears to be a good second index measure. It is closely related to the probability density function E(α, β) which defines the angular distribution of the contact normals. Based on experimental evidence the following is concluded. The fabric ellipsoid is closely related to the stress ellipsoid and characterizes a second-order tensor with a clear physical meaning; the principal axes of the fabric ellipsoid seem to tend toward those of the stress ellipsoid and thisappears to hold whether the principal stress axes rotate gradually or discontinuously during a course of deformation; and there seems to exist a quantitative relation between thefabric ellipsoid and the overall applied stresses, especially in the post-failure states.It appears that the function E(α, β) continuously changes in a manner so as to increase the ability of the material to withstand the increased applied stresses. The changes of the fabric, characterized by the changes of E(α, β), result in the hardening (or softening) of the granular materials in a given deformation course. La porositk (ou I'indice des vides) est sans nul doute l'une des mesures caracttristiques les plus importantes en ce qui concerne les matériaux granulaires. Cependant, elle ne permet pas, à elle seule, de fournir une description suffisamment compléte des propriétés de base de matériaux de ce type. L'ellipsoïe de la structure semble constituer une seconde mesure caractéristique intéressante. II est éttroitement associé à la fonction densitié probabilité E(α, β) qui définit la distribution angulaire des normales de contact. Sur la base de preuvres expérimentales, on obtient les conclusions suivantes: (a) l'ellipsoïde de la structure est étroitment associé Iéllipsoïde des contraintes et caracttrise un tenseur de second ordre ayant une signification physique Claire; (b) les axes principaux de l'ellipsoïde de la structure semblent tendre vers ceux de I'ellipsoïe des contraintes et il semble que ceci permette de déterminer si les axes principaux de contraintes tournent progressivement ou d'une maniére discontinue au tours d'une période déformation; et (c)il semble qu'il existe une relation quantitative entre I'ellipsoïde de la structure et les contraintes globales appliquées, principalement dans les tats aprés-rupture. I1 semble done que la fonction E(α, β) varie continuellement d'une maniére qui permette au matériau d'accroitre son aptitude à rsister aux contraintes appliquées accrues. C'-à-dire qu'e les variations de la structure, caractérisées par les variations de E(α, β), ont pour résultat le durcissement (ou le amollissement) des matériaux granulaires au tours d'unepéiode de déformation donnée.