Constitutive modelling of fibre-reinforced sands under cyclic loads

Abstract

Cyclic loads are induced by several sources, such as traffic, waves, wind and earthquakes. Particularly in the last years, more attention has been given to such loading conditions due to the development of the offshore engineering. Additionally, ground improving techniques have been employed to alter the characteristics of natural soils in order to increase its strength and delay – or avoid – liquefaction. Previous studies have developed complete constitutive laws for fibre-reinforced sands under monotonic loading conditions, but no previous work on modelling granular soils under cyclic loading has been reported. Hence, this research develops and validates a new constitutive modelling which is capable to fully assess the behaviour of fibre-reinforced soils under cyclic loads for undrained conditions. This model is based on two previous models developed by Diambra et al. (2013) and Diambra and Ibraim (2014), which employed a homogenisation technique to scale sand and fibre contribution. The behaviour of the sand follows the Severn-Trent Sand Model proposed by Gajo and Muir Wood (1999). Once the model is structured and its calculation procedure is defined, a parametric analysis is carried out in order to show the influence of each fibre and sand parameter in the composite response. An adjustment factor to account for the change in the interparticle forces caused by the fibres is proposed. Finally, the model is calibrated with experimental results and an analysis of its competences and limitations is performed. The calibration process showed that the model is able to capture important trends caused by the fibre reinforcement, such as a reduction in axial strain and in pore pressure generation, delaying the occurrence of liquefaction. The proposed model was shown to be more effective in reproducing the response of loose sands, i.e. those whose stress states are above the critical state line.

Carregamentos cíclicos são causados de diversas maneiras, como tráfego de veículos, ondas, vento e terremotos. Nos últimos anos, particularmente, tem-se aumentado o número de estudos para este tipo de carregamento devido ao desenvolvimento da engenharia offshore. Além disso, técnicas de melhoramento de solos granulares têm sido empregadas para alterar as características dos solos naturais, com o objetivo de aumentar sua resistência e retardar - ou evitar - a ocorrência de liquefação. Alguns estudos anteriores desenvolveram leis constitutivas completas para areias reforçadas com fibras sob carregamento monotônico, mas não são encontrados na literatura trabalhos sobre a modelagem deste tipo de solos sob carregamentos cíclicos. Sendo assim, essa dissertação desenvolve e valida um novo modelo constitutivo capaz de avaliar o comportamento de solos granulares reforçados com fibras sob carregamento cíclico sob condições não-drenadas. Este modelo é baseado em dois modelos previamente desenvolvidos por Diambra et al. (2013) e Diambra e Ibraim (2014), que utilizam uma técnica de homogeneização para considerar a contribuição da areia e das fibras. O comportamento da areia segue o Modelo Severn-Trent Sand, proposto por Gajo e Muir Wood (1999). Uma vez estruturado o modelo e definido seu procedimento de cálculo, realiza-se uma análise paramétrica, a fim de demonstrar a influência de cada parâmetro das fibras e da areia no comportamento do compósito. Um fator de ajuste para levar em consideração a mudança nas forças interparticulares causada pelas fibras é proposto neste trabalho. Ao final, o modelo é calibrado com resultados experimentais e faz-se uma análise de suas competências e limitações. O processo de calibração mostrou que o modelo é capaz de capturar importantes tendências causadas pela inserção de fibras, como a redução nas deformações axiais e na geração de poropressões, retardando a ocorrência de liquefação. O modelo proposto mostrou-se mais efetivo em reproduzir o comportamento de areias fofas, ou seja, aquelas cujo estado de tensões se encontra acima da linha do estado crítico.