Stress Effect on Creep Rates of a Frozen Clay Soil

Abstract

Synopsis Differential creep tests have been carried out on frozen cylindrical clay soil samples to examine the influence of stress on creep rates. Concurrently, information was obtained concerning temperature and structure effects on the stress/creep rate relationship. Approximate linearity between logarithm of axial creep rate and axial stress (σ), for stresses greater than two-thirds the ultimate compressive strength and constant temperature, support an exponential law (exp Bσ) for predicting the effect of stress on creep rates. The hyperbolic sine law (sinh Bσ) closely approximates the exponential law for the high stresses used. The data and analysis indicate that thermal activation is involved in the creep of this frozen clay soil and that temperature (T) should appear through an expression of the form exp (–ΔF/RT). An observed activation energy (ΔF) close to 93·6 kcal/mole appears to remain constant over a range of axial stresses (600–800 lb/sq. in.) and temperatures (– 12°C to – 18°C). This constant activation energy supports the idea that one creep mechanism predominates for these stresses and temperatures. Experimental data show that a linear relationship appears to exist between axial stress and reciprocal of temperature for constant creep rates and temperatures lower than – 6°C. This provides a means for predicting creep rates at other axial stresses and temperatures based on limited creep data. On a fait des essais de fluage différentiels sur des échantillons de sol argileux cylindriques gelés pour examiner l'influence de la contrainte sur les coefficients de fluage. En même temps, on a obtenu des renseignements sur les effets de température et de structure sur le rapport de coefficient contrainte fluage. Une linéarité approximative entre le logarithme de coefficient de fluage axial et de contrainte axiale (σ), pour des contraintes dépassant les deux tiers de la force de compression limite et à température constante, supporte la loi exponentielle (exp Bσ) pour prévoir l'effet de contrainte sur les coefficients de fluage. La loi sinusoïdale hyperbolique (sinh Bσ) s'approche de près de la loi exponentielle pour les fortes contraintes utilisées. Les relevés et l'analyse indiquent que l'activation thermique agit dans le fluage de ce sol argileux gelé et que la température (T) doit apparaître dans une expression de la forme exp (–ΔF/RT). Une énergie d'activation observée (ΔF) proche de 93,6 k Cal/mole semble rester constante sur une certaine gamme de contraintes axiales (600 livres/pouce2 à 800 livres/pouce2) et de températures (–12°C à –18°C). Cette énergie d'activation constante confirme qu'un mécanisme de fluage est prédominant pour ces contraintes et ces températures. Des relevés expérimentaux montrent qu'un rapport linéaire semble exister entre la contrainte axiale et la réciproque de température pour des coefficients de fluage et des températures inférieures à –6°C. Ceci permet de prévoir les coefficients de fluage pour d'autres contraintes axiales et températures basées sur des relevés de fluage limités.