Experimental investigation of dynamic behavior of silty sand

• Autorzy: Chmielewski Ryszard , Kruszka Leopold , Rekucki Ryszard , Sobczyk Kamil

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2021.136484

Warianty tytułu

PL

Eksperymentalne badanie dynamicznego zachowania piasku pylastego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper includes experimental research using the Split Hopkinson Pressure Bar to determine dynamic compression curves and strength dynamic parameters to depend on the strain rate and moisture for silty sand soil samples. Those experiments are oedometric type based in a rigid confining cylinder. Samples of silty sand with fine a fraction content were taken for the study. To ensure sufficiently uniaxial strain of the tested material, the soil samples were placed in properly prepared casings made of duralumin for the needs of the tests. Thanks to the use of measuring strain gauges on the initiating and transmitting bars, as well as the casing, the nature of the loading pulse was obtained, which was then subjected to the process of filtration and data processing to obtain the nature of the incident, reflected and transmitted wave. During the above dynamic experiments with the representative of silty sand soils, it was observed that its dynamic compaction at a high strain rate is different than in the case of the Proctor test. This is due to higher compaction energy, which additionally changes the grain size by destroying the grains in the structure. The paper presents the results of particle size distribution analysis for two different types of soil samples - this type of analysis is unique. Hence experiments should be further continued for such soils with different granulations and various moisture using, for example, Hopkinson measuring bar technique to confirm for other silty sand soils that are often subgrade of various engineering objects.

PL

Artykuł obejmuje edometryczne badania eksperymentalne z wykorzystaniem techniki pręta Hopkinsona do określenia zarówno dynamicznego zachowania jak i zmian struktury dla próbek wybranego ośrodka gruntowego o różnej wilgotności poddanych oddziaływaniu dynamicznemu. Do badania wzięto piasek pylasty (siSa) o zawartości frakcji drobnych fi+fπ = 20,46%. W celu zapewnienia wystąpienia jednoosiowego stanu odkształcenia badanej próbki gruntu umieszczono ją w odpowiednio przygotowanej duraluminiowej osłonie pierścieniowej. Dzięki zastosowaniu tensometrów pomiarowych na prętach inicjującym oraz transmitującym, jak również osłonie zarejestrowano różne impulsy, które następnie poddano procesowi filtracji i obróbki danych, tak aby otrzymać obrazy propagacji sprężystych fal w prętach pomiarowych i w osłonie. Wykorzystując odpowiednie równania oraz zależności zmodyfikowanej metody Kolsky'ego dla trójwymiarowego stanu naprężenia w badanej próbce określono eksperymentalne zależności charakteryzujące zachowanie się próbek gruntu o różnej wilgotności: naprężenie ϭ(t), odkształcenie ε(t) oraz prędkość odkształcenia έ(t) w funkcji czasu. Na tej podstawie uzyskano krzywe ściskania dynamicznego dla różnej wilgotności próbek gruntu pylastego z określonymi wartościami początkowego dynamicznego edometrycznego modułu oraz lokalnych maksymalnych naprężeń plastycznych i odpowiadających im odkształceń. Podczas powyższych eksperymentów dynamicznych z próbkami gruntów typu piasku pylastego zaobserwowano, że jego dynamiczne zagęszczenie przy dużej szybkości odkształcania jest inne niż w przypadku testu Proctora. Wynika to z większej energii zagęszczania, która dodatkowo powoduje zmianę uziarnienia poprzez niszczenie ziaren w strukturze. W pracy przedstawiono wyniki analizy zmian uziarnienia dla dwóch różnych rodzajów próbek gruntu - tego typu analizy są unikalne. W związku z tym należy kontynuować eksperymenty dla takich gruntów o różnych granulacjach i różnej wilgotności, stosując technikę prętów pomiarowych Hopkinsona, w celu potwierdzenia opisanego zjawiska w innych gruntach typu piasku pylastego, które często są podłożem gruntowym dla różnych obiektów inżynieryjnych.

Słowa kluczowe

EN

soil mechanics; experimental test; dynamic test; split Hopkinson pressure bar; oedometric test; silty sand

PL

mechanika gruntu; badanie eksperymentalne; badanie dynamiczne; dzielony pręt Hopkinsona; badanie edometryczne; piasek pylasty

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 67, nr 1
• Strony: 481--498
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Chmielewski Ryszard

• Military Univ. of Technology, Dept. of Military Engineering and Military Infrastructure, Warsaw, Poland

autor

Kruszka Leopold

• Military Univ. of Technology, Dept. of Military Engineering and Military Infrastructure, Warsaw, Poland

autor

Rekucki Ryszard

• Military Univ. of Technology, Dept. of Military Engineering and Military Infrastructure, Warsaw, Poland

autor

Sobczyk Kamil

• Military Univ. of Technology, Dept. of Military Engineering and Military Infrastructure, Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Field, J. E., Walley, S.M., Proud, W. G., Goldrein, H. T. and Siviour, C. R. (2004). “Review of experimental techniques for high rate deformation and shock studies”. International Journal of Impact Engineering, 30(7): 725-775.
• [2] An, H.M. and Liu, L. (2019). “Numerical study of dynamic behaviors of concrete under various strain rates”. Archives of Civil Engineering, LXV(4): 21-36.
• [3] Felice, C.W., Gaffney, E.S., Brown, J.A. and Olsen, J.M. (1987). “Dynamic high stress experiments on soil”. Geotech. Test. J., 10: 192-202.
• [4] Charlie, W.A., Ross, C.A. and Pierce, S.J. (1990). “Split-Hopkinson pressure bar testing of unsaturated sand”. Geotech. Test. J., 13: 291-300.
• [5] Bragov, A.M., Gandurin, V.P., Grushevskii, G.M. and Lomunov, A.K. (1995). “New potentials of Kolsky's method for studying the dynamic properties of soft soils”. J. Appl. Mech. Tech. Phys., 36: 476-481.
• [6] Bragov, A.M., Grushevsky, G.M. and Lomunov, A.K. (1996). “Use of the Kolsky method for confined tests of soft soils”. Experimental Mechanics, 36: 237-242.
• [7] Bragov, A.M., Lomunov, A.K., Chmielewski, R. and Kruszka, L. (2002). „Study of dynamic properties of selected soils at high rate of loading (in Polish)”. Biuletyn WAT, LI: 59-72.
• [8] Bragov, A.M., Lomunov, A.K., Sergeichev, I.V., Tsembelis, K. and Proud W.G. (2008). “Determination of physicomechanical properties of soft soils from medium to high strain rates”. International Journal of Impact Engineering, 35: 967-976.
• [9] Martin, B.E., Chen, W., Song, B. and Akers, S.A. (2009). “Moisture effects on the high strain-rate behavior of sand”. Mech. Mater., 41: 786-798.
• [10] Song, B., Chen, W. and Luk, V. (2009). “Impact compressive response of dry sand”. Mech. Mater, 41: 777-785.
• [11] Huang, S., Chen, R. and Xia, K.W. (2010). “Quantification of dynamic tensile parameters of rocks using a modified Kolsky tension bar apparatus”. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2(2): 162-168.
• [12] Luo, H., Lu, H., Cooper, W.L. and Komanduri, R. (2011). “Effect of mass density on the compressive behavior of dry sand under confinement at high strain rates”. Experimental Mechanics, 51: 1499-1510.
• [13] Omidvar, M., Iskander, M. and Bless, S. (2012). “Stress-strain behavior of sand at high strain rates”. International Journal of Impact Engineering, 49: 192-213.
• [14] Xia, K. and Yao, W. (2015). “Dynamic rock tests using split Hopkinson (Kolsky) bar system - A review”. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 7(1): 27-59.
• [15] Li, M., Mao, X., Cao, L. and Pu, H. (2017). “Influence of Heating Rate on the Dynamic Mechanical Performance of Coal Measure Rocks”. International Journal of Geomechanics, 17(8).
• [16] Lv, Y., Liu, J. and Xiong, Z. (2019). “One-dimensional dynamic compressive behavior of dry calcareous sand at high strain rates”. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 11(1): 192-201.
• [17] Wen, S., Zhang, C., Chang, Y. and Hu, P. (2019). “Dynamic compression characteristics of layered rock mass of significant strength changes in adjacent layers”. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 12(2): 353-365.
• [18] Xu, J., Kang, Y., Wang, Z. and Wang, X. (2020). “Dynamic Mechanical Behavior of Granite under the Effects of Strain Rate and Temperature”. International Journal of Geomechanics, 20(2).
• [19] Wang, Z. and Lu, Y. (2003). “Numerical analysis on dynamic deformation mechanism of soils under blast loading”. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 23: 705-714.
• [20] An, J. (2010). “Soil behavior under blast loading”. Ph.D. dissertation, University of Nebraska.
• [21] An, J., Yuan, C. Y., Cheeseman, B. A. and Gazonas, G. A. (2011). “Simulation of Soil Behavior under Blast Loading”. International Journal of Geomechanics, 11(4).
• [22] Anderson, C.E., Behner, T., Weiss, C.E., Chocron, S. and Bigger R.P. (2010). “Mine blast loading: experiments and simulations”, Southwest Research Institute, Report 18.12544/011.
• [23] Windisch, E.J. and Yong, R.N. (1970). “The Determination of soil strain-rate behavior beneath a moving wheel”. Journal of Terramechanics, 7(1): 55-67.
• [24] Gu, Q. and Lee, F.H. (2002). “Ground response to dynamic compaction of dry sand”. Geo-technique, 52(7): 481-493.
• [25] Holscher, P. and van Tol, F. (2009). “Rapid load testing on piles”. Balkema: CRC Press, Taylor and Francis Group.
• [26] Hopkinson, J. (1872). “On the rupture of iron wire by a blow”. Proc. Manchester Literary Philosophical Society, 11: 40-45.
• [27] Hopkinson, J. (1872). “Further experiments on the rupture of iron wire”. Proc. Manchester Literary Philosophical Society, 11: 119-121.
• [28] Hopkinson, B. (1914). “A method of measuring the pressure produced in the detonation of high explosives or by the impact of bullets”. Phil. Trans. R. Soc. Lond., A213: 437-456.
• [29] Kolsky, T.E. (1949). “An investigation of the mechanical properties of materials at very high rates of loading”. Proc. Phys. Soc., B62: 676.
• [30] Guo, X., Sow, C-T., Khalil, C., Heuzé, T. and Racineux, G. (2019). “Material constitutive behavior identification at high strain rates using a direct-impact Hopkinson device.” 7th International Conference on High Speed Forming (ICHSF) Germany 2016.
• [31] Couque, H. (2014). “The use of the direct impact Hopkinson pressure bar technique to describe thermally activated and viscous regimes of metallic materials.” Philosophical transactions of the Royal Society A,. 372, 2023.
• [32] Semblat, J-F., Luong, P.M. and Gary, G. (1999). “3D-Hopkinson Bar: New Experiments for Dynamic Testing on Soils.” Soils and Foundations, 39: 1-10.
• [33] Bragov, A.M., Lomunov, A.K., Konstantinov, A.Yu., Lamzin, D.A., Balandin, Vl.Vl. (2016). “Estimation of radial strain of specimen on the basis of the theoretical and experimental analysis of a technique dynamic tests of materials in a rigid ferrule (in Russian).” Problems of Strain and Plasticity Journal, 78 (4): 378-387.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).