On Identification of Parameters of a Nonlinear Consolidation Model of Sandy Soil

Previously, the authors of this article formulated a physically and geometrically nonlinear formulation of the problem of porous fluid-saturated medium deformation during fluid filtration (consolidation problem) in terms of the rate of solid phase displacement and the change in pore pressure in differential and variational forms. The developed consolidation model takes into account changes in the porosity and permeability of the medium during deformation. Deformation-type constitutive relations are used in the model. The developed consolidation model can be used to simulate non-stationary processes in the soil, for example, the formation of ruts and unevenness of dirt roads, as well as to calculate the uneven settlement of engineering structures. This work is devoted to the experimental determination of the deformation and strength properties of water-saturated sandy soils, which is the next stage in the consolidation process simulation. The results of the experimental determination of the bulk and shear properties of sandy soil using the ASIS automated complex (OOO NPP "Geotek") are presented. The studies were carried out on three quartz sands of various grain sizes. To determine the volumetric moduli of dry and water-saturated sandy soils, compression tests were carried out under a continuously growing vertical load at a constant strain rate. The experiments were carried out for various strain rates in the range from 3·10-6 to 3·10-3 s-1. According to the experimental results, the bulk properties do not depend on the strain rate in the specified range. Deformation and strength shear characteristics of sandy soils were determined by the method of multiplanar shear, approximating a simple shear. The tests were carried out under a kinematically applied shear load with a given constant strain rate according to the scheme of consolidated-drained shear. The dependences of the deformation and strength properties of coarse and fine quartz sands on the shear strain rate in the range from 2·10-4 to 4·10-3 s-1 were studied. Increasing, decreasing and nonmonotonic dependences of the internal friction angle on the shear strain rate were obtained for dry and water-saturated sands of various grain sizes. For water-saturated sands, the maximum spread in the values of the internal friction angle for different strain rates does not exceed 7 %. A technique has been developed for recalculating the obtained properties and experimental dependences into the parameters of the proposed sandy soil consolidation model.

К ВОПРОСУ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ НЕЛИНЕЙНОЙ МОДЕЛИ КОНСОЛИДАЦИИ ПЕСЧАНОГО ГРУНТА

Ранее авторами настоящей статьи была сформулирована физически и геометрически нелинейная постановка задачи деформирования пористой флюидонасыщенной среды при фильтрации жидкости (задачи консолидации) в скоростях перемещений твердой фазы и изменения порового давления в дифференциальном и вариационном виде. В разработанной модели консолидации учитывается изменение пористости и проницаемости среды в процессе деформирования. В модели используются определяющие соотношения деформационного типа. Разработанная модель консолидации может применяться для моделирования нестационарных процессов в грунте, например, образования колеи и неровностей грунтовых дорог, а также для расчета неравномерной осадки инженерных сооружений. Настоящая работа посвящена экспериментальному определению деформационных и прочностных свойств водонасыщенных песчаных грунтов, что представляет собой следующий этап моделирования процесса консолидации. Изложены результаты экспериментального определения объемных и сдвиговых свойств песчаного грунта на автоматизированном комплексе АСИС (ООО НПП «Геотек»). Исследования проводились на трех песках кварцевого состава различной крупности. Для определения объемных модулей были осуществлены испытания сухих и водонасыщенных песчаных грунтов на компрессионное сжатие при непрерывно растущей вертикальной нагрузке с постоянной скоростью деформации. Опыты проводились для различных скоростей деформации в диапазоне от 3·10-6 до 3·10-3 с-1. Эксперименты показали отсутствие зависимости объемных свойств от скорости деформации в указанном диапазоне. Деформационные и прочностные характеристики песчаных грунтов на сдвиг определялись методом многоплоскостного среза, приближающего простой сдвиг. Испытания проводились в кинематическом режиме приложения сдвигающей нагрузки с заданной постоянной скоростью деформации по схеме консолидированно-дренированного сдвига. Исследованы зависимости деформационных и прочностных свойств крупных и мелких кварцевых песков от скорости деформации сдвига в диапазоне от 2·10-4 до 4·10-3 с-1. Для исследуемых сухих и водонасыщенных песков различной крупности получены возрастающие, убывающие и немонотонные зависимости угла внутреннего трения от скорости деформации сдвига. Для водонасыщенных песков максимальный разброс значений угла внутреннего трения для разных скоростей деформации не превышает 7 %. Разработана методика пересчета полученных свойств и экспериментальных зависимостей в параметры предложенной модели консолидации песчаного грунта.