Microstructure of shear bands and its relation to the mechanisms of dilatancy and failure of dense granular soils

Abstract

Microstructural changes taking place in two shear bands of Toyoura and Ticino sands were examined by means of an X-ray method and optical measurements using a microscope and thin sections. The following must be taken into account in order to produce a realistic micro-structural deformation model for granular soils: (1) shear band boundaries are not straight, but are gently curved with different inclination angles to the major principal stress from section to section; (2) extremely large voids are produced in shear bands, and the resulting local void ratio can be larger than the maximum void ratio determined by standard methods; (3) the particle orientation changes sharply at shear band boundaries, so that a high gradient of particle rotation can be developed within a relatively narrow zone during the shear banding process; (4) particle rotation, on average, takes place in parallel with the corresponding geotoscopic rotation in the continuum sense; (5) the thickness of shear bands is about 7 to 8 times the mean particle size. In addition to these observations, photoelastic pictures taken from a biaxial test on a two-dimensional assembly of oval rods were analysed and used in proposing a microstructural deformation mode. In the model, the main microstructural change during the strain hardening process is the setting up of columns extending parallel to the major principal stress direction. The columns start buckling at the peak stress, and the buckling columns tend to concentrate in shear bands during the strain softening process, which causes not only the growth of the extremely large voids but also the particle rotation in shear bands. On the basis of this model, the following two points are emphasized: (1) rotation stiffness at contacts must be one of the important components controlling the strength of granular soils, and (2) the presence of rotational restraint at contacts must be taken into account in the formulation of static equilibrium conditions in a shear band and in the interpretation of residual strength of granular soils. Nous avons examinéles changements microstructuraux qui se produisent dans deux bandes de cisaillement des sables de Toyoura et Ticino en employant une méthode ďapplication de rayons X et de prises de mesures optiques udHsant un microscopes et des plaques minces. Les points suivants doivent être pris en compte si Pon vent produire une maquette réaliste des déformations micro-structurales des sols granulés: (1) les frontières des bandes de cisaillement ne sont pas droites mais 1égèrement incurvées et présentent de section à section différents angles d'inclinaison par rapport à la grande contrainte principale; (2) de très grands vides se produisent dans les bandes de cisaillement et le taux de porosité local qui en résulte pent être plus élevé que le taux de porosité maximum déterminé par les méthodes normales; (3) Porientadon des particules change nettement aux frondirès des bandes de cisaillement si bien quun fort gradient de rotation particulaire pent se développer à ľintérieur ďune zone relativement étroite pendant le processus de mise en bande de cisaillement; (4) la rotation des pardcules, en moyenne, se produit en parallèle avec la rotation geotoscopique correspondante dans le sens du continuum; (5) ľépaisseur des bandes de cisaillement est ďenviron 7 à 8 fois supérieure à la dimension moyenne des particules. Outre ces observations, nous avons analysé des images photoélastiques prises è partir ďun essai bi-axial sur un assemblage bidimensional de dges ovales et nous les avons udHsées pour proposer une maquette de déformation microstructurale. Dans cette maquette, le principal changement micro-structural pendant le processus de durcissement de la déformation est Pinstallation de colonnes paral1é1es à la direction de la grande contrainte principale. Les colonnes commencent à se courber sous la contrainte de pointe et les colonnes courbées tendent à se concentrer dans les bandes de cisaillement pendant le processus de ramollissement de la déformation, ce qui provoque non seulement le d6veloppement de trés gros vides mais aussi la rotation de particules dans les bandes de cisaillement. En nous basant sur cette maquette, nous avons mis en lumiére les deux points suivants: (1) la rigidit6 rotationnelle aux points de contact doit être ľune des composantes importantes gouvernant la résistance des sols granulés; (2) la pr6sence ďune retenue rotationnelle aux points de contact doit êe prise en compte pour formuler les conditions de Nquillbre statique dans une bande de cisaillement et pour interpréter la r6sistance résiduelle des sols granulés.