Modelling of the induced and inherent anisotropy of sand

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Theodoros Triantafyllidis
• Subject Area: Geotechnics, Hydraulic Engineering ; Architecture, Building and Construction History, Construction Research, Sustainable Building Technology
• Term: from 2014 to 2022
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 244922809

• Final Report Year: 2022

Final Report Abstract

Im Rahmen dieses Projektes wurde ein neues Stoffmodell vorgeschlagen, um die inhärente und induzierte Anisotropie eines sandigen Materials zu beschreiben. Das Modell heißt Intergranular Strain Anisotropy ISA, weil die Formulierung auf dem Konzept der intergranularen Dehnung basiert. Die konstitutive Gleichung ist elastoplastisch, d.h. das Modell integriert einen elastischen Lokus um das elastische Verhalten des Materials zu beschreiben. Das Besondere ist, dass der elastische Lokus in dem intergranularen Dehnungsraum definiert ist und nicht im Spannungsraum, wie bei den meisten anderen Modellen. Damit kann das Modell die induzierte Anisotropie, die bei kleinen und mittleren Dehnungsamplituden beobachtet wird, simulieren. So kann das Modell verschiedene Effekte beschreiben, wie z.B. Erinnerungseffekte, Erhöhung der Steifigkeit nach einer Entlastung und Reduktion der Akkumulationsrate während zyklischer Belastung. Durchgeführte Simulationen mit dem Karlsruher Feinsand und Toyoura Sand bestätigten diese Fähigkeit. Aus den experimentellen Versuchen an trocken eingerieselten und feucht eingestampften Proben von Karlsruher Feinsand wurde geschlossen, dass dieses Material eine isotrope inhärente Struktur besitzt. Das mechanische Verhalten des Karlsruher Feinsandes zeigt eine starke Abhängigkeit von der Anfangsstruktur bzw. von der erzeugten Struktur aus verschiedenen Präparationsmethoden. Auf Basis der undränierten Triaxialversuche an gerieselten und feucht eingestampften Proben des Karlsruher Feinsandes wurde der Einfluss der Präparationsmethode auf die Lage des kritischen Zustandes im Porenzahl-Druck-Diagramm analysiert. Zwar ist diese Kurve für beide Präparationsmethoden bei großen Verformungen identisch, jedoch wird der kritische Zustand bei den feucht eingestampften Proben deutlich schneller erreicht, d.h. durch geringere Veränderungen der Porenzahl als bei den trocken gerieselten Proben erreicht. Das bedeutet, dass die inhärente Struktur bei großen Verformungen gelöscht werden kann. Sowohl mit den Hohlzylindertriaxialversuchen als auch mit den konventionellen Triaxialversuchen konnte kein Einfluss des Sedimentationswinkels Alpha auf das mechanische Verhalten beobachtet werden. Um die inhärente Anisotropie zu integrieren, wurde in diesem Modell eine Abhängigkeit zwischen den charakteristischen Porenzahlen und der inhärenten Struktur vorgeschlagen. Die Erweiterung mit zwei neuen Parametern kann zum einen den Einfluss der inhärenten Anisotropie aus verschiedenen Präparationsmethoden simulieren und zum anderen die Löschung dieses Effekts bei großen Verformungen berücksichtigen. Das neue Modell erfordert die Kalibrierung von 17 Materialparameter. In der Dissertation von Fuentes sind die Kalibrationen der Parameter für Karlsruher Feinsand und Toyoura Sand detailliert beschrieben. Die Simulationen von Oedometerversuchen, dränierten und undränierten Triaxialversuchen zeigen eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse des neuen Stoffmodells mit den experimentellen Ergebnissen.

Publications

• Contributions in mechanical modelling of fill material. PhD Dissertation, Veröffentlichungen des IBF, KIT, Heft 179, 2014
  W. Fuentes
  
• ISA model: A constitutive model for soils with yield surface in the intergranular strain space. Int. J. Geomech., ASCE, 2015
  W. Fuentes and Th. Triantafyllidis
  
• ISA: A constitutive model for deposited sand. Aktuelle Forschung in der Bodenmechanik 2015. Eds: T. Schanz and J. Hettler. Springer-Verlag GmbH. Berlin Heidelberg 2015
  W. Fuentes and Th. Triantafyllidis
  
• Soil behaviour under cyclic loading - experimental observations, constitutive description and applications. Habiliation, Veröffentlichungen des IBF, KIT, Heft 181, 2016
  T. Wichtmann
  
• Inspection of three sophisticated constitutive models based on monotonic and cyclic tests on fine sand: Hypoplasticity vs. Sanisand vs. ISA. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 124, pp. 172-183
  T. Wichtmann, W. Fuentes and Th. Triantafyllidis
  
• ISA-Hypoplasticity accounting for cyclic mobility effects for liquefaction analysis. Acta Geotechnica 15(10), 1513-1531 (2020)
  W. Fuentes, T. Wichtmann, C. Lascarro and M. Gil
  
• On the behaviour of cohesive soils: constitutive description and experimental observations. PhD Dissertation, Veröffentlichungen des Institutes für Bodenmechanik und Felsmechanik IBF, KIT, Heft 186, 2020
  M. Tafili
  
• On the influence of the sample preparation method on strain accumulation in sand under high-cyclic loading. Soil Dynamics and Earthquake Engineering 131, 106028 (2020)
  T. Wichtmann, K. Steller and T. Triantafyllidis
  
• Characteristic limitations of advanced plasticity and hypoplasticity models for cyclic loading of sands. Acta Geotechnica (2021)
  J. Duque, M. Yang, W. Fuentes, D. Masin and M. Taiebat
  
• Investigation of three sophisticated constitutive soil models: From numerical formulations to element tests and the analysis of vibratory pile driving tests. Computers and Geotechnics 138, 104276 (2021)
  J. Machacek, P. Staubach, M. Tafili, H. Zachert and T. Wichtmann
  
• Performance of different constitutive soil models: from element tests to the simulation of vibratory pile driving tests. Volume IS08 - Cyclic Plasticity for Soils (2022)
  J. Machacek, P. Staubach, M. Tafili, H. Zachert and T. Wichtmann