A constitutive model for the stress–strain–time behaviour of ‘wet’ clays

Abstract

A constitutive model is developed to describe the stress–strain–time behaviour of ‘wet’ clays subjected to three-dimensional states of stress and strain. The model is based on Bjerrum's concept of total strain decomposition into an immediate (time-independent) part and a delayed (time-dependent) part generalized to three-dimensional situations. The classical theory of plasticity is employed to characterize the time-independent stress–strain behaviour of cohesive soils using the ellipsoidal yield surface of the modified Cam Clay model presented by Roscoe and Burland. The time-independent strain is divided into an elastic part and a plastic part. The plastic part is evaluated using the normality condition and the consistency requirement on the yield surface. The time-dependent (creep) component of the total strain is evaluated by employing the normality rule on the same yield surface as in the time-independent model and the consistency requirement which requires that the creep strain rate reduces to phenomenological creep rate expressions for isotropic or undrained triaxial stress conditions. The mathematical characterization of the constitutive model is given by the constitutive equation expressed in a form suitable for direct numerical implementation (i.e. finite element formulation). The required soil parameters are easily obtainable from conventional laboratory tests. The constitutive equation is shown to predict accurately the stress–strain–time behaviour of an undisturbed ‘wet’ clay in triaxial and plane strain stress conditions. Un modèle constitutif a été développé pour décrire le comportement contrainte–déformation dans le temps des argiles ‘humides’ soumises à des états tridimensionnels de contraintes et de déformations. Le modèle est basé sur une généralisation aux conditions tridimensionnelles du concept de Bjerrum de la décomposition de la déformation en une partie immédiate (indépendante du temps) et une partie retardée (dépendante du temps). On utilise la théorie classique de la plasticité pour caractériser le comportement contrainte–déformation indépendant du temps des sols cohérents, en se servant de la surface d'écoulement ellipsoïdale du modèle modifié de l'argile de Cam présenté par Roscoe et Burland. La déformation indépendante du temps est subdivisée en une partie élastique et une partie plastique. On évalue la partie plastique d'après la condition de normalité et la consistance exigée sur la surface d'écoulement. La partie dépendant du temps (fluage) de la déformation totale est évaluée d'après de la règle de normalité sur la même surface d'écoulement que dans le cas du modèle indépendant du temps, en employant en même temps l'exigence de consistance qui veut que la vitesse de la déformation de fluage se réduise à des expressions phénoménologiques de vitesse de fluage pour des conditions de contrainte triaxiales isotropiques ou non-drainées. La caractérisation mathématique du modèle constitutif est donné par l'équation constitutive exprimée dans une forme qui est utilisable pour l'application numérique directe (c'est-à-dire pour la formulation d'éléments finis). Les paramètres du sol nécessaires s'obtiennent facilement à partir d'essais de laboratoire conventionnels. On démontre que l'équation constitutive prédit de façon précise le comportement contrainte–déformation dépendant du temps d'une argile non-remaniée dans des conditions contrainte–déformation triaxiales et planes.