Time Scaling Law for Two-stage Centrifuge Testing

ABSTRACT: The geotechnical centrifuge effectively models the self-weight consolidation of high-water content materials. However, concerns about material segregation arise when using centrifuge modelling due to the high-gravity application and the material's low yield strength. If a material segregates under the high gravity of the centrifuge but not under Earth's gravity, the model results may not accurately reflect the prototype behaviour. Two-stage centrifuge testing is sometimes employed to address this issue. In this method, the model initially spins at low gravity to increase solids content and yield stress before higher gravity is applied. While this approach reduces the potential of segregation, it necessitates new time-scaling laws so that both stages realistically represent the same prototype. This paper presents time-scaling laws for calculating prototype times in two-stage centrifuge testing, and it also provides centrifuge testing and numerical modelling results for validating the scaling law.

RÉSUMÉ: La centrifugeuse géotechnique modélise efficacement la consolidation des matériaux à forte teneur en eau sous leur propre poids. Cependant, l'utilisation de la modélisation en centrifugeuse peut être remise en cause en cas de ségrégation des matériaux, en raison de l'application de fortes gravités et de la faible contrainte seuil des matériaux concernés. Il est possible que la ségrégation des matériaux s’effectue sous la forte gravité de la centrifugeuse mais pas sous la gravité terrestre, auquel cas les résultats du modèle peuvent ne pas refléter fidèlement le comportement du prototype. Des essais en centrifugeuse à deux étapes sont parfois utilisés pour pallier ce problème. En suivant cette méthode, le modèle est d'abord soumis à une faible gravité afin d'augmenter la teneur en solides et la contrainte seuil avant l'application d'une gravité plus élevée. Bien que cette approche réduise le risque de ségrégation, elle nécessite l'élaboration de nouvelles lois de mise à l'échelle temporelle afin que les deux étapes puissent fidèlement représenter le même prototype. Cet article présente les lois de mise à l'échelle temporelle permettant de calculer les temps prototypes lors d'essais en centrifugeuse à deux étapes et fournit également des résultats d'essais en centrifugeuse et de modélisation numérique afin de valider celles-ci.