Deformation of water-saturated sand: I. uniform undrained deformation and shear banding

Abstract

Experimental results from undrained plane-strain (biaxial) compression tests on water-saturated St Peter sandstone sand are analysed within the framework of continuum mixtures theory for elastoplastic materials with internal friction and dilatancy. The simple theoretical frame of non-associative plasticity is shown to be adequate for reproducing the main features of the stress–strain curves and the effective stress paths of uniformly deformed undrained specimens under axial displacement control and constant confining pressure. The outstanding stress states, such as the states of stationary deviators, the states of zero plastic volumetric strain rates and the states of zero pore-water pressure production, are defined precisely and characterized. In displacement-controlled tests and for significant portions of the effective stress path the second order plastic work is negative without visible deviations from homogeneous isochoric deformation. It is also shown that in ordinary soil mechanics testing situations no pore-water pressure shocks can develop across shear-band boundaries, and thus locally undrained shear banding at the state of the maximum deviator is impossible. L'article analyse les résultats d'essais de compression biaxiaux non drainés de sable gréseux dans le contexte de la théorie des mélanges en continu appliquée à des matériaux é1astoplastiques à frottement et dilatance internes. L'article montre que le simple cadre théorique de plasticité non associative permet de reproduire les principaux é1éments des courbes contraintedéformation et les trajectoires de contrainte effective de spécimens non drainés et uniformé mént déformés soumis à un déplacement axial et à une pression hydrostatique constante. L'article définit précisément et caractérise les divers autres états de contrainte comme les états du déviateur stationnaire, les états de contrainte volumétrique plastique nulle, les états de production nulle de pression d'ean des pores, etc. Dans des essais à régulation du déplacement, la déformation plastique de deuxième ordre est négative sur une grande proportion de la trajectoire de contrainte effective, sans s'écarter visiblement d'une déformation isochore homogène. L'article montre par ailleurs que, dans des conditions d'essai ordinaires de mécanique des sols, aucun choc de pression d'ean des pores ne pent franchir les limites des bandes de cisaillement et qu'il ne pent donc y avoir formation de bandes de cisaillement à drainage local nul à L'état du déviateur maximal.