Modelling and minimization of membrane penetration effects in tests on granular soils

Abstract

In experimental research into the constitutive properties of granular materials the phenomenon of membrane penetration is one of the major sources of error. For instance, in drained isotropic loading and unloading tests on medium loose fine sand the errors in the volume change due to membrane penetration can be of the order of 20% and 40% respectively. In the first stage of an undrained triaxial compression test on the same sand, when the effective isotropic stress decreases, the deviator stress can become 50% greater owing to membrane penetration; because of this a tendency towards lique faction might remain obscure. It is shown that such errors can be reduced by a factor of 5 if the proper membranes are used and if the remaining membrane effect of restraint is accounted for properly. To this end the membrane should consist of much stiffer material than latex rubber, the membrane thickness should be of the order of the mean grain size and the ratio of the mean grain size and the sample diameter should not be too large (0·003 in the case considered). For medium loose fine quartz sand the optimum value of Young's modulus for the membrane should be of the order of E≃5×107 N/m2 so that the membrane is about 40 times stiffer than latex rubber. Dans la recherche scientifique sur le comportement mécanique des sols granuleux le phénomène de la pénétration de la membrane est une des sources importantes d'erreur. Par example en cas des essais de chargement et déchargement hydrostatiques avec drainage sur un sable fine assez lâche l'erreur de la variation volumétrique par suite de la pénétration de la membrane peut monter 20% et 40% respectivement. En cas des essais de compression triaxiale sans drainage sur le même sable la tendance à liquefaction restera obscure; avant que la pression effective isotrope minimale est attenu le deviateur des contraintes peut être 50% plus grand par la pénétration de la membrane. Il est montré que cettes erreurs peuvent se réduire à un facteur de 5 pourvu que les propres membranes soient utilisés et pourvu que la contrainte de soutien de la membrane soit tenu en compte proprement. A cet effet il faut, que les membranes soient composés de matériau plus rigide que caoutchouc, que l'épaisseur soit à peu près aussi grande que le diamètre moyen des grains et que le rapport du diamètre moyen des grains et du diamètre d'échantillon soit limité (dans le cas présent=0·003). Par example le module d'élasticité de la membrane doit être environ de E ≈ 5 × 107 N/m2 pour un sable de grains fines de quartz et d'une compacité assez lâche; donc approximativement 40 fois plus rigide que cauotchouc.