THE EFFECTS OF STRAIN RATE ON THE BEHAVIOR OF SANDS IN CYCLIC DIRECT SIMPLE SHEAR TESTS

ABSTRACT: Cyclic direct simple shear tests are often performed to evaluate the liquefaction susceptibility of cohesionless soils. The test enforces a condition of constant volume on the specimen by laterally confining it with either a series of metal rings or a wire-wrapped membrane, while the height of the specimen is controlled by locking the top platen in place, thereby preventing any change in specimen height. The specimen is subjected to either an applied shear stress or an applied shear strain and undergoes shear deformations. The decrease in vertical stress measured during loading is equal to the decrease in effective stress that would be measured in an undrained cyclic simple shear test on an equivalent specimen. A study was performed to evaluate the effect that the rate of load application has on a sand’s liquefaction susceptibility. Strain-controlled cyclic direct simple shear tests were performed on specimens of Ottawa C-20/30 sand prepared to 40% relative density. The strains were applied at frequencies of 0.1, 0.2, 1 and 2 Hertz. The results were evaluated in terms of the number of cycles of loading required to trigger liquefaction, the quantity of normalized dissipated energy per unit volume required to initiate liquefaction and pseudo energy capacity, the calibration parameter for the Green, Mitchell and Polito pore pressure generation model. From the study, it was concluded that, over the range of frequencies tested, the frequency of loading had no statistically-significant effect on the number of cycles of loading required to trigger liquefaction, or the quantity of normalized dissipated energy per unit volume required to initiate liquefaction or the pseudo energy capacity.

RÉSUMÉ: Les tests de cisaillement direct simple cyclique sont souvent réalisés pour évaluer la susceptibilité à la liquéfaction des sols sans cohésion. Le test impose une condition de volume constant sur l'échantillon en le confinant latéralement à l'aide d'une série d'anneaux métalliques ou d'une membrane enroulée de fil, tandis que la hauteur de l'échantillon est contrôlée en verrouillant la plaque supérieure en place, empêchant ainsi tout changement de hauteur de l'échantillon. L'échantillon est soumis soit à une contrainte de cisaillement appliquée, soit à une déformation de cisaillement appliquée et subit des déformations de cisaillement. La diminution de la contrainte verticale mesurée pendant le chargement est égale à la diminution de la contrainte effective qui serait mesurée lors d'un test cyclique de cisaillement simple non drainé sur un échantillon équivalent. Une étude a été réalisée pour évaluer l'effet que la vitesse d'application de la charge a sur la susceptibilité à la liquéfaction d'un sable. Des tests cycliques de cisaillement direct simple contrôlés en déformation ont été effectués sur des échantillons de sable Ottawa C-20/30 préparés à une densité relative de 40 %. Les déformations ont été appliquées à des fréquences de 0,1, 0,2, 1 et 2 Hertz. Les résultats ont été évalués en fonction du nombre de cycles de chargement et de la quantité d'énergie dissipée normalisée par unité de volume nécessaire pour initier la liquéfaction. L'étude a conclu que, sur la gamme de fréquences testées, la fréquence de chargement n'a eu aucun effet statistiquement significatif sur le nombre de cycles de chargement ou la quantité d'énergie dissipée normalisée par unité de volume nécessaire pour initier la liquéfaction.