creep of sand

download creep of sand

of 63

Transcript of creep of sand

  • 8/18/2019 creep of sand

    1/63

    T R 

    190 

    o

     

    00 

    '  

    . . - 

    fachntcd

     

    Report 

    190

     

    C R E E P

     O F F R O Z E N 

    S A N D S 

    by

     

    Francis 

    H .

     Sayles 

    September

     

    1968

     

    CONDUCTED

     

    ro* 

    CORPS 

    OF ENGINEERS, 

    U.S.

     

    A R MY 

    v

     

    U.S.

     A R M Y 

    M A T E R I E L

     

    C O M M A N D

     

    TERRESTRIAL 

    S C I E N C E S

     C E N T E R 

    C O L O

     R E G I O N S 

    R E S E A R C H

     iE N G I N E E R I N G L A B O R A T O R Y 

    H A N O V E R , N E W 

    H A M P S H I R E

     

    THIS DOCUMENT

     

    HA«

     

    SEEN PPROVCO

     

    C OW  

    PUBLIC 

    NLf4M

    «NO

     

    SALE;

     

    irs

     DiJTHIOUTIOM » 

    UNLIMI

     TED. 

    C

     

    .

     A

     

    N

      H

     O 

    ,

     

    ~  ®mmmm® 

  • 8/18/2019 creep of sand

    2/63

    CRREL,

     

    Technical R e p o r t 

    1 9 0 

    C R E E P

     O F 

    F R O Z E N

     S A ND S 

    by 

    Francis H . Scyles 

    September

     

    1 9 68

     

    CONDUCTCD

     

    FOP 

    CORPS

     

    OF FMGINEfcRS, 

    U.S.

     ARMY 

    BY

     

    U.S.

     ARMY 

    MATERIEL 

    COMMAND 

    TERRESTRIAL

     SCIENCES 

    CENTER 

    C O L O R E G I O N S

     

    R E S E A R C H

     

    i

    E N G I N E E R I N G

     

    L AB O R AT O R Y

     

    HANOVER, N E W

     

    HAMPSHIRE 

    THIS

     

    DOCUMfcNT 

    HAS 

    »EEK

      APPROVED

      FOR PUBLIC ELEASE

     

    AND 

    SMLKJ

     T« DISTRIBUTION S UNLIMITED. 

    .-K**,~r—i /..-*....* .«^iifci

    e**-viifM

    :-*A;J> 

  • 8/18/2019 creep of sand

    3/63

    PREFACE

     

    Authority  or 

    he

     nvestigation  reported 

    herein

      s contained n

     

    FY 

    961 

    Instructions

     

    and

     

    Outline, Military 

    Construction  nvestigations,

      Engineering 

    Criteria and

     

    nvestigations 

    and Studies,

      Investigation

     

    of

     

    Arctic Construction,

     

    Creep of 

    Frozen

     Soils.

     

    This tudy 

    was onducted

      or

      he

     

    Engineering Division,  Directorate

     of

     

    Military Construction, 

    Office,

     

    Chief

     of Engineers,  The program was ad-

     

    ministered 

    by

     

    he

     

    Civil

     

    Engineering

     

    Branch,

     

    Mr.

     

    T.B.

     

    Pringle,

     

    Chief.

     

    Mr.  Francis

     

    H. 

    Sayles,

      Research Civil Engineer,  Applied Research

     

    Branch

     

    carried

     

    out  he tudy

     

    and

     

    prepared

      his

     

    eport.

     

    The

     nvestigation 

    was

     

    nder 

    he

      general

     direction

     of Mr.  K.A.  Linell,  Chief,  Experimental

     

    Engineering

     

    Division,

      and  he mmediate direction of 

    Mr.

      Albert

     

    F.  Wuori,

     

    Chief,  Applied

     

    Research

     Branch,  Cold 

    Regions

     Research and

     

    Engineering

     

    Laboratory

     CRREL),

      U.S.

     

    Army 

    Terrestrial

     Sciences

     

    Center USA

     

    TSC).

     

    Personnel assisting 

    n

     

    he

     nvestigation

     

    were SP Richard

     

    Putnam and

     

    SP

     

    Richard O.  Lunde. 

    Mr.

      Robert

     

    Bonnett assisted  n  he

     esting. 

    This 

    eport

     has

     been

     

    critically 

    eviewed 

    by

     

    Professor 

    Clyde E.

      Kesler 

    of 

    he University

     

    of Illinois

     

    and  y

     

    Mr.  Frederick

     

    .  Sänger

     

    of

     

    USA TSC.

     

    The author wishes o  hank  he eviewers 

    and

     Dr.  A.  Assur, 

    Chief

     Scientist,

     

    USA

     

    TSC,

      for heir 

    constructive

     uggestions.

     

    Lieutenant

     Colonel 

    ohn

     

    E.  Wagner

     

    was 

    Commanding

     

    Officer

     /Director of

     

    the

     U.S.  Army Terrestrial Sciences Center uring 

    he

     publication of  his e-

     

    port and Mr.

      W. K,  Boyd

     

    was 

    Chief Engineer.

     

    USA 

    TSC  s 

    esearch

     

    activity of

     

    he Army

     

    Materiel 

    Command.

     

    CITATION

     

    OF

     

    COMMERCIAL

     PRODUCTS

     

    S FOR

     

    NFORMATION 

    ONLY

     

    AND DOES NOT 

    CONSTITUTE

     

    OFFICIAL ENDORSEMENT OR

     

    APPROVAL.

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    4/63

    Ill

     

    CONTENTS 

    Page

     

    Preface 

    Conversion 

    able

    -

     

    Summary i

     

    Introduction

    Definition of

     

    erms

    Review

     

    x heory-

    Testing 

    Apparatus

    Materials 1

     

    Preparation 

    and

     

    reezing

     of  est pecimens 2

     

    Creep 

    and trength

      esting 

    procedure

    4

     

    Test

     

    esults 

    4

     

    Discussion--

    3

     

    Conclusions

    Literature cited

    7

     

    Appendix

     A. 9

     

    ILLUSTRATIONS 

    Figure

     

    1.

     

    echanical

     

    heological

     

    models

    2.

     iew 

    of

     

    four

     

    reezing

     

    binets 

    nside

     

    40F

     

    cold

     

    oom

     

    3.

     

    ront of  reezing cabinet

    4. reezing

     

    mold

    5. 

    reezing 

    mold

     

    charged

     with 

    pecimens

     

    eing 

    de-aired and 

    saturated -*

    6.

     neumatically 

    actuated hydraulic press

    7.

     

    onstant

     

    tress

     apparatus

    8. ever-type 

    press

     with

     

    motorized moving  ulcrum

     

    9. 

    nconfined 

    compression

     

    chamber

    0

     

    10. radation 

    curve,

     

    Manchester

     

    ine

     

    and 2

     

    11.

     

    ypical Ottawa  and

     pecimens fter

     

    esting 

    5

     

    12. ypical Manchester  ine and 

    pecimens 

    after 

    esting

     6

     

    13. ypical  ce pecimens fter esting

    7

     

    14.

     

    reep

     

    ests,

     

    Ottawa  and

     

    20-30),

     

    1

     

    5F

    8

     

    15.

     

    reep  ests,  Manchester  ine and,  15F 8

     

    16.

     

    reep  est

     on

     

    ce

      n

     unconfined

     ompression 9 

    17.

     

    ime

     

    vs 

    train,

      Ottawa

     

    and 

    20-30),

      1  5F 9

     

    18.

     ime

     

    s

     train, Ottawa  and  20-30),

     

    25F-

     

    19.

     ime

     

    train,

      Ottawa  and 

    20-30),

      29F

     

    0

     

    20. ime 

    s

     

    train,

     

    Ottawa

     

    and

     20-30),  31F

     1

     

    21.

     ime

      s

     train, 

    Manchester

      ine 

    and,

      15F 1

     

    22. 

    ime

     

    s

     

    train,

     

    Manchester  ine

     and,  25F 2 

    23.

     

    ime

      s

     train, 

    Manchester

      ine and, 

    29F 

    2

     

    24. ime

     

    s train,  Manchester  ine 

    and,

      ">1F

     

    3

     

    25. ebound and 

    classical

     creep

     curves,

      Ottawa

      and

     

    4

     

    26.

     

    ercent of 

    strain

     at start 

    of

     

    ertiary

     creep,

     

    Manchester

      ine

     

    sand  8

     

    27.

     reep

     

    ate

     

    and ime,  Ottawa

     

    and 20-30),  31F-- 8

     

    28.

     

    reep  ate and eciprocal

     

    of

     

    ime, 

    Ottawa

     

    and,

     

    31F

     

    9

     

    29.

     

    reep  ate and eciprocal

     

    of

      ime, 

    Manchester

      ine

     

    and, 

    15F 

    9

    *£i

  • 8/18/2019 creep of sand

    5/63

    CONTENTS  Cont'd)

     

    Figure age

     

    30.

     reep

     ate

      nri 

    eciprocal

     of

      ime, 

    Manchester

      ine and

     

    at

     

    various

     

    emperatures 0

     

    31.

     

    tress,  strain 

    and 

    ime,

     31F 2

     

    32.

     ime,

     

    factor 

    A,  and

     emperature 

    2

     

    33. 

    actor  and

      emperature 3

     

    34.

     train 

    and

     

    ime

     

    comparative

     curves,  15F 4

     

    35. actor M nd tress 4

     

    36.

     

    train

     

    and

     

    ime,

     

    15F

    5

     

    37.

     

    train ate 

    at

      ime

      r,

      and 

    tress 6

     

    38.

     emperature nd stress 

    or

     unit 

    train

      ate at

      r

     

    6

     

    39. 

    ltimate

     

    trength

     and

      ime

     o

     

    ailure,

     

    Ottawa  and

     

    9

     

    40. ltimate 

    trength

     and  ime  o  ailu/e,  Manchester fine sand

     

    - 9

     

    41. ime 

    and

     eciprocal of ultimate tress,

     

    Manchester fine sand 

    1

     

    42. 

    ime 

    and 

    eciprocal

     

    of ultimate tress,

     

    Ottawa

     

    and

     

    1

     

    43. trength  or

     

    various conditions, 

    Ottawa

      and

     3

     

    44.

     

    trength  or various conditions,  Manchester

      ine

     

    and 

    3

     

    45.

     emperature,  ß and

      parameters

    4

     

    TABLES

     

    Table

     

    I. 

    Types 

    of deformations  rom 

    ebounded

     

    creep 

    ests, 

    frozen

     

    Ottawa  and 5

     

    II.  Strain components nd strain 

    at

     critical points under  nter-

     

    mediate 

    tresses

    26

     

    III. 

    alue of 

    n

     

    Vialov's

     

    train

      quation 31

     

    IV. onstants or Vialov's train 

    quation

    31

     

    V.

    Constants or train  quation

    37

     

    VI. Long-term 

    unconfined

     compressive  trength 40

     

    VII.

      Constants

     or  q  as determined  rom Figures 1

     

    and  2 40

     

    VIII.

     

    Percent of 

    nstantaneous

     trength

     

    oss

     fter

     application

     of *

     

    stress

    2

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    6/63

    I

    ONVERSION

     

    TABLE

     

    in. 5.4 

    ft

    0.48 

    Multiply y o obtain

     

    °F

     /9(°F-32)

     C 

    mm

     

    cm 

    sq

      n. 

    .

    4

    5

    16

    q

     

    cm

     

    Ib/sq

     

    n.

     

    .070307

    g/sq

     

    cm 

    cu  t

     

    .0283168 u m 

    lb .45359237 g 

    qt

    .94633

    iter

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    7/63

    SUMMARY

     

    Unconf 

    ned

     compressive 

    cieep  trengths 

    na

     

    strains

     were

     measured 

    for 

    rozen  aturated Ottawa

     and 

    20-30)

     

    and 

    Manchester ine

     and.

     

    The

     

    creep

      ests were conducted 

    at

     

    approximate

     stress evels f

      0,

      35, 

    20 

    and

     

    5%

     of  he conventional

     

    ur.confined 

    compressive trength. 

    Testing  empera-

     

    tures

     were 5 ,  25,  29 

    and 1F.

      It 

    was

     

    ound

     

    hat

     

    he

     unconfined 

    compres-

     

    sive 

    creep

     

    trength

     

    of

     

    he 

    rozen

     

    and

     

    an

     

    e

     

    predicted 

    using 

    Vialov's

     

    strength  ormula;

     

    hat creep

     strain

     can 

    e

     

    predicted

     using wo 

    hort-term, 

    t 4 »

     

    high-stress-level creep  ests using  «

      =

      ij

     

    1/K ̂

    predicted

     using

     

    . < * « 

    £[e/öo>+

     

    if

    € 

    that

     

    oca." 

    train

     can  e

     

    and

      hat

      or tresses

     

    below  he  ong-term

     

    trength,

      the

     strain  ate 

    s

     directly

     

    proportional  o

     

    the

     

    eciprocal 

    of  ime during tress

     action

     until

     

    complete  tabilization

     

    occurs,

     

    (t  = train  ate 

    nour

     after tress 

    s

     

    pplied;

      ime;

     

    4 / 

    M-l)/M, 

    where M   r

     

    '

    w

     und 

    w

     

    s a constant 

    or

      ach 

    material

     

    0;

     

    emperature

      n 

    degrees below  reezing

     point of

     

    01

      = tress at 

    water;

      9

    0

      =

     

    a

     

    constant  eference

     

    alue

     of  ;  a and Kare onstants;

     

    *  initial

     

    nstantaneous

     

    train.)

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    8/63

    •  CREEP

     

    OF FROZEN SANDS 

    by 

    Francis H.  Sayles 

    INTRODUCTION

     

    The 

    design

     of 

    table

     tructures 

    n

     permafrost equires  knowledge of 

    the  trength

     

    and deformation 

    characteristics

     of

      rozen

     

    oil.

      Published mat- 

    erial

     

    on  he trength and deformation properties of

      rozen

     oil prior o 952 

    was f Russian 

    origin

     and was generally

     

    ncomplete 

    as

     

    o

     description of  oils 

    and esting

     

    procedures.

     

    In 952 he ormer Arctic Construction  and

     

    Frost 

    Effects

     

    Laboratory 

    ACFEL)*

     of

     

    he

     

    .

     

    S.

     

    Army Engineer

     

    Division,

     

    New

     

    Eng-

     

    land, 

    published

     

    eport 

    ummarizing

      xperimental data

     

    obtained

     

    o

      hat 

    time,  including  he

     

    esults of

     

    heir

      nvestigations

     ACFEL, 1952).

     

    Since 952 

    the Russians, 

    notably

     Tsytovich

     

    and 

    Vialov,

      have

     published ather omplete 

    experimental 

    data

     

    on

     he

     trength

     

    and

     

    deformation

     properties 

    f

     

    ome naturally 

    frozen

     ilts

     nd clays Tsytovich,  1954, 1958; Vialov,

    1959;

      Vialov

     

    ^

     

    al., 

    1962;  Vialov

     

    and Tsytovich, 

    1955).

      In addition, 

    they

      ummarized nd

      ormu-

     

    lated

     

    heories nd 

    empirical

     

    eqjations

     elating  trength and deformation of 

    frozen 

    oils

     

    o

      he 

    oil

      emperature and duration

     

    of  he applied oad.  Sänger 

    and Kaplar 

    1963)

     published

     

    deformation data and mpirical quations elat- 

    ing unconfined ompressive deformation nd ate f

     

    deformation 

    o

     

    applied

     

    stress

     

    nd  emperature.  This

     nvestigation

      ncluded 

    variety 

    of

     

    oils, 

    tested

     

    at

     various

      emperatures  rom 

    about

     

    8F

     

    to

      2F.  Each 

    creep 

    est

     

    was

     imited

     

    to

     

    0

     

    hours duration. 

    The 

    purpose 

    of

     

    his

     

    nvestigation

     

    s

     

    o

      valuate

     

    he

      nfluence 

    of

     

    empera-

     

    ture

     

    and tress on creep

     

    and  ong-term trength of  aturated

     

    rozen 

    ands,

     

    and  o provide 

    data 

    or

     

    design 

    rozen soils. 

    This eport

     

    with 

    ts

     ppendix 

    presents

      the  completed 

    results

      of  the  un- 

    confined

     compression

     

    ests

     

    performed on

     

    saturated Ottawa  and

     

    20-30) and

     

    Manchester  ine

     

    and.

      This

     

    s

     only  he  irst 

    phase

     of  he urrent  nvestiga- 

    tion

     which  ncludes:  (1) unconfined ompression creep  ests 

    n

     

    Ottawa  and, 

    Manchester 

    ine

     

    and,  New

     Hampshire

     ilt and  clay

     and

      2)

      riaxial

     creep 

    testing of 

    Ottawa

     

    and. 

    DEFINITION OF 

    TERMS

     

    Instantaneous

     

    trength

     

    s

     he 

    maximum 

    tress determined  y  oading he 

    test

      pecimen 

    at

      constant

     train

     

    ate

     

    of

     

    0.

     

    033/min.

     

    Long-term tren

    gth

     

    he 

    maximum 

    tress

     

    hat

     

    he rozen

     

    oil

     

    can 

    with- 

    stand  ndefinitely and  xhibit 

    ither

     a

     zero or

     continuously

     decreasing

     

    strain

     ate with  irne. 

    *

     ACFEL was merged with  he  ormer U.S.  Army

     Snow,

      Ice and Permafrost 

    P.esearch Establishment SIPRE) 

    n

     961 o  orm he U.S. 

    Army

     Cold Regions 

    Research

     nd Engineering

     

    Laboratory.

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    9/63

    L

    REEP

     

    OF

     

    FROZEN 

    SANDS

     

    Coti

    v

    e.itional

     tra

    i

    n s he

     

    xiai deformation 

    divided  y

     

    he 

    original 

    ength

     

    of

     

    he pecimen 

    e

    c

     

    AL/L

    0

    )

     

    True train  is

     

    he

     

    xial

     deformation

     t  given

     

    nstant of 

    ime

     divided  y  he

     

    actual

     pecimen ength  t ha' ime ir erms of 

    conventional

     train,

     

    e

    t

     

    ln(l/(l-e

    c

    )].

     

    Incipient ailure

     

    of a 

    est

     pecimen occurs when he train ate tarts o n-

     

    crease

     with

     ime start

     

    f  ertiary creep),

     

    after  period of

     minimum

     

    strain ate point

     ,  Fig.

      Z5).

     

    Failure

     of  compression est 

    pecimen

     of

     

    rozen  and means  continuous

     

    loss

     f esistance o oading,

      after

     eaching 

    peak. 

    It occurs 

    y

     either 

    an

     abrupt

     

    brittle-type

     

    racture

     

    or

     

    plastic

     

    low

     

    accompanied

     

    by

     

    issur-

     

    ing  nd often  nding

     n

     upture of

     

    he 

    pecimen.

     

    Elastic

     

    def

    ormation

     

    disappears ntirely 

    upon  elease 

    of

     

    he 

    tress

     which 

    caused t.

     

    Delayed

     lastic

     deformation 

    is

     lastic 

    deformation 

    hat equires

      noticeable

     

    period

     of 

    ime

     o occur

     r 

    ecover. 

    Theoretically,

      elastic

     deformation

     

    velocities

     

    lower

     

    han

     

    he 

    peed

     of 

    pund 

    are

     delayed. 

    In

      his 

    eport

     

    delayed 

    lastic

     

    ecovery

      s lower

      han

     

    he 

    peed 

    ound periods  y

     

    hours

     

    nd days.

     

    Viscous

     

    deformation 

    s

     n

      rreversible 

    deformation 

    n

     

    which

     

    he ate 

    of de-

     

    formation

     

    depends 

    pon he

     pplied tress.

     

    Plastic 

    deformation

      s 

    n

      rreversible 

    deformation

     

    which

      s 

    ndependent

     of

     

    time.

     

    Stress atio,

     

    Applied 

    constant

     

    tress

     

    '"instantaneous" 

    trength 

    REVIEW OF THEORY

     

    Deformation

     

    Vialov and

     

    Tsytovich  1955) 

    xplain

     he 

    physical

     process f creep

     n

     

    rozen

     

    soil

     

    y

     considering  he

     ondition

     

    of

     applying 

    constant

      ead

     o

     

    rozen

     

    oil

     

    mass.  This oad

     

    oncentrates

     

    he tress 

    between

      he oil particles t  heir

     

    points 

    f contact 

    with

     he

     ce,

      causing 

    pressure-melting

     

    of 

    he

     

    ce.

      Differences

     

    in water urface

     

    tensions

     re

     produced

     

    and he

     

    unfrozen water moves o e-

     

    gions 

    f  ower tress

     

    where t

     efreezes. 

    The 

    process

     f  ce

     

    melting and water

     

    movement

     

    s

     

    ccompanied 

    a

     

    breakdown

     

    f

     

    he

     

    ce

     

    and

     

    structural

     

    onds

     f

     

    he

     

    soil 

    grains, 

    the plastic 

    deformation

     

    of 

    he

     

    pore

     

    ce and  eadjustment

     

    n  he

     

    particle

     

    rrangement,  the esult

     f which s

     

    he

     ime-dependent 

    deformation

     

    phenomenon of creep.  This 

    tructural

     deformation

     

    eads  o a 

    denser

     packing

     

    of  he oil particles,  which 

    n

      urn causes  trengthening of  he material due

     

    to  he

     

    ncreased number

     

    f  irm

     

    ontacts between

     oil 

    grains

     

    nd

     

    ence 

    an

      n-

     

    crease 

    n

     nternal

     

    riction

     

    etween grains ACFEL,  195.2) .

     

    During

     his

     process

     

    there  s 

    lso 

    weakening

     

    he

     tructural 

    cohesion

     

    and 

    possibly 

    n

      n-

     

    crease 

    n

      he

     

    mount

     

    f unfrozen

     

    water

     

    n  he

     

    rozen  oil  particularly 

    n

      ine-

     

    grained

     oils).  All

     

    of

     

    his

     

    ction 

    s ime-dependent.

      If

      he 

    applied

      oad

     

    does 

    not

     

    xceed 

    he

     

    ong-teim 

    trength f

      he 

    rozen 

    oil,  then  he weakening

     

    process s ompensated 

    y

      he

     

    trengthening;  the 

    deformation

      s

     amped,

     

    i.e.,

     

    the 

    ate

     of deformation

     

    decreases with 

    im

      .  However, 

    if

     

    he

     applied oad

     

    x-

     

    ceeds he

     

    rozen oil 

    ong-term

     

    trength, 

    the breakdown of

     

    nternal

     

    bonds s

     

    not

     completely compensated

     

    y

     

    he

     

    trengthening

     

    process

     

    nd

     

    hen

     

    he

     

    ate

     

    f

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    10/63

    CREEP

     

    OF 

    FROZEN SANDS

     

    deformation  ncreases with 

    ime,

      resulting 

    n

     

    undamped

     deformation which

     

    eventually

     develops

      nto

     plastic  low 

    nd 

    nds

      n 

    breakdown  f

      he

     

    rozen 

    soil 

    tructure.

     

    Experiments*  how

     

    that

     

    he deformation characteristics

     

    f

     

    frozen

     

    oil 

    are  imilar  o  hose depicted 

    y

      he classical 

    creep

     curve  or metals  Fig.

     

    1).   As  . n  id 

    n

      tudying  hese 

    deformation

     characteristics,  Vialov  nd

     

    others  .

     

    ve proposed mechanical  heological models. 

    In 

    Figure  ,  Vialov's 

    model  1959) with  the  various  omponents labeled,  depicts  he  irst  nd

     

    second  tages 

    of creep,

     

    but 

    does 

    not

     

    nclude 

    he  nitial plasfic deforma- 

    tion or  hird  tage  f creep,  i. e.  the visco-plastic  low 

    preceding

     complete 

    collapse

     

    f

     

    he

     

    material

     

    tructure.

     

    RUPTURE

     

    DEFORMATION

     

    PLASTIC 

    D

     

    ELASTIC® 

    TIME

     

    CLASSICAL

     

    CREEP C U R V E

     

    If 

    '  S P R I N G

     

    Elastic d*f

     

    I I

     

    l i . i l 

    lill I

     

    IIOH

     

    < * > 

    km  

    (£) VISCOUS, Dojhpot

     

    ^BLOCKING

      , /

    DEVICE*

     

    I

    *

     

    Newtonian iquid 

    ®  Spnng-dasnpot Voiot-K«lvin ltmtnl) 

    Visco«loitic 

    ef

     

    *

     

    Blo^hmq ' ;« lid» whyn ore«

     

    icesds 

    imit

     

    L

     

    '4) 

    V I S C O US ,

     Daihpot

     

    ®VISCOPLAST

     

    iZA

     

    M E C H

    /UX

    L

     

    M O D E L 

    Vltlf

     

    Viulov

     

    A

     

    MODIFIED 

    VIALOV 

    MECHANICAL  MODEL

     

    Figure  .  Mechanical 

    heological

     models. 

    Vialov,

      1962,  Fig.  27,  Translation page Oi)

     

    for  ilt  nd clay  nd 

    Figures

     

    14

     

    and

     

    5

      f

     this

      eport

     for 

    aturated 

    Ottawa.

      *nd 

    and Manchester

     fine  and.

     

    *W»»JM

    m*mwMwao 

  • 8/18/2019 creep of sand

    11/63

    4 REEP OF FROZEN SANDS

     

    In 

    Figure 

    1

     Vialov's model s modified o

     

    nclude 

    plastic 

    characteristics.

     

    The arious lements n he

     

    model re abeled o

     correspond 

    o

     

    he ppro-

     

    priate 

    ection

     f  he lassical reep curve.

     

    In he 

    modified

     model,  the nitial 

    plastic

     deformation s 

    represented  y

      rictional

     

    lide.

     

    An

     ir

     ap 

    this ap

     

    may ave inite 

    alue

     r  e ero) between he

     

    slide nd  he Voigt  lement per-

     

    mits displacement 

    o  ake

     

    place

     efore viscoelastic movement

     

    begins.  If

     

    he 

    load

      xceeds he 

    yield 

    point

      f

      he

     

    material, 

    the

     lide will mo'e

      o educe 

    r

     

    close he

     

    gep,  thus producing

     

    nstantaneous plastic eformation.  When

      he 

    load s

     emoved,

      this part f

     

    he deformation s ot ecovered.  In 

    ome

      n- 

    stances

     

    elastic

     deformation may 

    ccur without

     

    eaching  he

     plastic

     

    imit

     upon

     

    loading, 

    thus

     producing

     

    purely elastic 

    ei

    or

    mation.

     

    The

      iscoelastic lement

     

    is he Voigt  or

     

    Kelvin lement which contributes  delayed elastic ffect.  The 

    dashpot

     

    f element  epresents he

     

    iscous portion

     

    he

     

    curve.

     

    The  fric-

     

    tion lement blocking device)

     

    equires he ctivating  orce o each

     

    certain

     

    magnitude 

    before

     

    plastic

     nd 

    iscous

     deformation 

    an

     ccur.  To epresent 

    viscoplastic

     

    low 

    pecially

     

    haped dashpot  s hown

      o

     permit

      n  ncreasing 

    rate f

      low

     as he material pproaches ailure.  The 

    modified

     

    model

     s 

    oo 

    complicated

     or  practical numerical nalysis 

    nd

     s merely  hown  o  llus- 

    trate

     he 

    eformation

     

    omponents.

     

    Streng' 

    Strength

     

    of 

    rozen

     oils, 

    as with nfrozen 

    ohesive oils, depends

     

    pon

     

    both

     

    he ohesion

     

    and

      he

     nternal

      riction

     f  he omponent

     

    materials.  In  ro-

     

    zen oils he ohesion 

    component

     

    according

      o Vialov and Tsytovich l°55)

     

    can  e 

    attributed

     

    o:

     

    (1)

      he molecular

     

    orces

     

    f

     

    attraction 

    between

     olid 

    particles;

     

    (2)

     

    physical

     

    r

     chemical

     

    cementing

     

    f

     

    particles

     

    together;

     

    ard

     

    (3)

     cementing

      he oil particle

     

    by  ce  ormation n  he oil 

    voids.

      Cementing 

    by

     

    ce

     s he  result f

     

    he  onds 

    between

     he 

    c?

     crystals nd he 

    oil

     particles 

    even hough

      he

     oil particles 

    aie

     urrounded  y  ilm f unfrozen vater.

     

    This nfrozen water s nder 

    he

     nfluence f

     

    molecular  orces f

     

    he oil

     

    particles 

    nd

     

    eems 

    possible

     hat

     

    he trongly attached 

    water

     molecules re

     

    capable

     

    ransmitting normal 

    nd

     hear orces 

    between

     olid 

    ce

     and olid 

    grains.  The ce

     

    cohesion

     

    depends pon

     

    he mount

     

    f

     

    ce, 

    the

     

    trength

     of  he

     

    ice,  and he rea of

      ce

     n ontact with  he 

    oil

     

    particles,

      each f

     

    which de- 

    pends upon

     

    he

     oil 

    emperature. 

    The nternal  riction

     depends 

    n  he

     

    oil 

    grain 

    arrangement,

      sizes, 

    distribution,

      shape,  and

     n 

    he 

    number 

    f grain-to-

     

    grain 

    contacts.

      It

      s 

    mphasized  hat

     

    ce

     

    cohesion

     

    s

     

    he dominant  trength

     

    factor in 

    frozen

     

    oil

     even 

    though

     internal f riet i o n

     becomes 

    ignificant 

    in

     

    dense

     

    sands. 

    TESTING

     

    1121

     

    The

     unconfined

     

    compression 

    test

     was chosen 

    as 

    the primary 

    test for

     this inves-

     

    tigation

     

    because 

    o f

     its simpli-.ity

     and

     

    its

     

    suitability

     for

     

    adoption as  ield

     aboratory 

    test. 

    In ddition

     

    o  he

     

    compression est,  sonic ests 

    nd

     ball penetration ests

     

    were 

    performed.

      The onic

     

    ests

     

    were 

    xploratory 

    n

     

    nature with  he primary

     

    purpose 

    f  esting

     

    quipment and

     developing 

    echniques.

      Both

     

    ests 

    howed 

    some

     promise

     

    but he 

    allotted

     

    ime did 

    not permit 

    continuance until echniques

     

    could  e 

    perfected. 

  • 8/18/2019 creep of sand

    12/63

    CREEP OF

     FROZEN

     

    SANDS

     

    APPARATUS

     

    Freezing

      aci

    l

    ities

     

    Soil 

    nd

     

    ce

     

    pecimens

     

    were

      rozen n

     

    reezing 

    cabine'.s

     mounted n 

    USA CRREL walk-in  ype cold nnm maintained t  40F+1F.  The  rees

     

    ing 

    cabinets used in

     

    this project

      (Fig.

     2, 3)

     were

      quipped with

     

    hinged 

    covers

     

    o n

     

    op and

      hermal-pane window

      n  he

      ront.

      Insulation  vas provided

     

    n

     

    the ides nd over.  The 

    bottom

     f  he abinet consisted f  r.  xpanded

     

    metal grill

     

    allowing  he

     

    bottom

     f

      he

     

    pecimens 

    o

     be

     

    xposed

      o  he

     ÜF

     

    "oom

     emperature

     during  reezing 

    while he ops 

    f

     

    he

     pecimens 

    were

     

    subjected

     

    o

     

    he

     

    desired

     

    reezing

     

    emperature.

     

    The

     

    reezing

     cabinet

     

    was

     

    cooled

      y coils mounted n ts ides nd 

    back

     

    wall, 

    from

     3

     

    n.  above

      he

     

    bottom o

      he 

    op

     

    of

      he cabinets.

     

    The abinet  emperature could be controlled  o wituin 

    0.

     5F  y means

     

    of

     heating 

    coils

     ocated 

    n

      he air  tream f 

    he

     air circulation  an.  The

     

    heat  upplied

     

    was egulated 

    y

     

    Bayley  emperature controller

     Model

     

    22.

     

    De-aired

     

    water was upplied

     

    o  he 

    bottom 

    of  he 

    pecimens

     uring 

    reezing

     

    by

     

    means

     

    of

     

    an 

    external

     eservoir.

     

    Figure . View of  our 

    reezing

     

    cabinets

     

    nside

     

    40F

     cold 

    oom.

     

    ••-';■   -•< }«j£.

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    13/63

    REEP OF  ROZEN ANDS

     

    Figure .  Front

     of

      reezing

     

    cabinet  showing

     

    reezing

     

    mold

     

    in position 

    with

      hermocouple  eads o 

    he

     center  pecimen.

     

    The 

    bimetallic hermal-regulator  s hown

     o

     

    ight

     of view-

     

    ing

     

    window.

     

    Freezing m

    old

     

    The  reezing mold Fig.  4, 

    5 )

     consisted of  Plexiglas block 7 /4  n.

     

    square

     and

      n. 

    thick,

      through

     

    which 

    3-in. 

    diam holes

     were

     bored.

     

    Each

     

    hole

     

    was itted with 

    plit

     

    leeve

     aving

     

    wall hickness of

     

    about

     

    /8 n. 

    to

     permit pecimen jection  rom he mold without ubjecting  he pecimen

     

    to  he  jection orce.  The 

    op

     and bottom of  he 

    mold

     were

     overed

     by  /2-in.

     

    thick

     

    aluminum

     plates ealed  o  he 

    mold

     block

     

    with  /2-in.  soft ubber gas-

     

    kets. 

    When  he 

    reezing mold

     was

     ssembled, 

    an 

    xpanded metal creen with 

    1/2x1

      4-in. 

    openings,

      a 

    200-mesh

     bronze creen

     and 

    muslin 

    mat

     

    were

     

    placed

     

    t he 

    op

     and

     

    ottom f

     

    he 

    mold

     block  o 

    etain 

    he unfrozen

     

    oil 

    peci- 

    mens 

    n he

     cylinders

     

    nd

     

    o act

     

    as

     

    ilter.

     

    Loading  quipment

     

    Three  ypes of  oading devices were used  n  he  esting program  o accom-

     

    modate

     he

     

    different 

    trength  nd

     

    eformation

     haracteristics  of

      he

      rozen

     

    sands.

     

    Tests o determine 

    he

     nstantaneous ompressive trength and hort-term

     

    creep trength 

    of 

    rozen

     oils with

     elatively 

    high esistance

     

    were performed

     

    in 

    20,

     00U-lb 

    apacity air-actua^d

     

    ydraulic

     press 

    Fig.

     

    6). 

    Loads 

    were

     

    applied

     o he est pecimen y means 

    f

     

    an

     unconfined est chamber placed  n

     

    the

     press. 

    The

     press s apable of head movement  ates up 

    o

     8  n.

     

    /min.

     

    For 

    reep

      ests,

     

    vibration-free

     

    constant

      oads an 

    be

     maintained

     

    he

     hy-

     

    draulic press or 

    xtended

     periods i ime within  of 

    he applied  oad 

    or

     

    loads 

    greater 

    han 000 b.

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    14/63

    CREEP 

    OF FROZEN

     

    SANDS 

    Figure

     

    a.  Empty

      reezing

     

    mold howing

     

    projecting 

    plit

     i 

    eeves.

     

    Figure

     

    4b.  Fr 

    _.?zing mold illed

     

    with dry and howing

     

    plit

     

    sleeves.  Mold

     

    upported

     n 

    jection 

    rame.

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    15/63

    CREEP OF

     

    FROZEN 

    SANDS

     

    Figure

     .  Freezing

     

    mold

     charged

     

    with 

    pecimens being de-

     

    aired

     

    and

     

    aturated.

     

    Figure

     .  Pneumatically actuated ydraulic press. 

  • 8/18/2019 creep of sand

    16/63

    CREEP

     OF

     FROZEN

     

    SANDS

     

    Creep

      ests n

     which arge

     deforma-

     

    tion 

    ccurs were 

    performed

     

    on

     

    a

     

    con- 

    stant 

    tress

     press 

    capacity 

    4000

     

    b)(Fig.

     

    7). 

    This

     press  eatures 

    programming 

    cam hat

     

    maintains onstant axial stress

     

    to

     within % of 

    applied

     tress

     

    n the  est

     

    specimen 

    during

     

    deformation.

     

    The

     

    oad-

     

    programming

      s

     based

     on

     

    he

     assump-

     

    tions

     

    hat 

    he

     

    cross-sectional

     area

     of

     

    he 

    specimen

     emains

     

    niform

     

    hroughout

     ts 

    length 

    during

     

    deformation,

     

    and

     

    hat  he

     

    volume 

    emains onstant

      hroughout

     

    he

     

    test. 

    Long-term

     reep  ests esulting 

    n

     

    small

     deformation 

    were

     performed n 

    a

     

    lever-type press capacity 2000  b)  Fig.

     

    8).  As he ample deforms, 

    the

     eight

     

    of 

    he  ulcrum is djusted 

    to 

    maintain

     

    he 

    loading

     level 

    approximately 

    horizontal. 

    Test 

    chamber

     

    The unconfined compression chamber

     

    in 

    he

     hydraulic press Fig.

     9)

      s basically

     

    a

     

    rame

     

    with 

    eveling

     

    base

     

    pon

     

    which

     

    the  est

     

    pecimen ests.  The  oading

     

    pis-

     

    ton mounted n  ecirculating ball

     

    bushings

     

    provides  base plate  or  he oad measur-

     

    ing 

    ransducer.

      This

     ransducer

     

    n

     

    direct

     contact 

    with

     

    he

     op

     

    spherical sur-

     

    face 

    of  he est

     

    pecimen

     

    nd

     cap.

      This

     

    arrangement permits

     

    measurement 

    of

      he

     

    load applied

     

    o  he

     

    est  pecimen

     

    at

     ny 

    time.

      Average

     

    deformations 

    re

     meas-

     

    ured

     by

     wo

      inear

     motion 

    potentiometers

     mounted 

    diametrically

     opposite

     

    ach

     

    other n 

    he

     Circumference f

     

    he oad ransducer.

     

    Load

     

    and

     deformation

     measurements 

    All  oads

     

    pplied 

    o

      est  pecimens

     

    he

     hydraulic nd

     

    onstant

     

    tress

     

    presses were 

    measured

     

    with

     Baldwin-Lima-Hamilton

     oad

     cells aving 

    appro- 

    priate 

    oad

     anges.

     

    Hydraulic 

    press

      oads

     

    were 

    measured

     using 

    he

     

    oad 

    ells

     with 

    eadout

     

    o n

     one channel

     of

      Leeds

     

    nd

     Northrup

     

    Azar

     

    G-type

     

    X-X 

    ecorder.

      After 

    calibration, 

    loads

     were

     

    measured

     continuously

      o

     within

     . 0% of

     

    he

     

    applied 

    load.

     

    Average axial deformations

     of

     

    est

      pecimens  n 

    he

     hydraulic 

    press were 

    measured using wo carbon-strip,  infinite-resolution,  resistance-type inear-

     

    motion

     potentiometi 

    rs

     mounted diametrically

     

    opposite  ach 

    other

     on he oad

     

    cell  see Fig. 

    9),  and

     movements were 

    ecorded 

    on 

    one

     channel

     

    of 

    he

     

    and

     

    recorder.  Using 

    calibration 

    charts,  deformations were

     

    measured 

    o

     within

     

    0.0025  n.  for movements ess han 0. 25  n.  and  .005 n. 

    for

     movements

     

    greater

     

    han

     0.25 

    n. 

    Figure

     .

      Constant

     

    stress ppa-

     

    ratus howing programming  cam

     

    and

      oad measuring  ystem.

     

    fc&Sä***^ 

  • 8/18/2019 creep of sand

    17/63

    CREEP 

    OF

     

    FROZEN

     SANDS

     

    a

     

    o

     

     

    u

     

    -

     

    u

     

    c

     -a

     

    ID 

    El

     

    3   o 

    E X 

    _e

     

    O

     

    £

     

    -a

     

    o

     

    N  

    £

     

    in

     

    a;

     

    -,

     

    I- , 

    a  

    a

     

    a - 

    M

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    18/63

    CREEP

     

    OF 

    ROZEN 

    SANDS 

    Cons

     tant-

    str

    e

    ss-a

    p

    paratus oads

     

    were 

    measured

     with 

    he oad

     ell

     

    nd 

    read manually using  B-L-H ype

     N

     portable train  ndicator.

      Loads

     were 

    determined ccurately 

    o

     within

     

    .3%  f  he 

    pplied 

    oad.

    Deformations were 

    measured sing 

    dial

     ndicators 

    with

     

    1/10,000 

    n.  gradations

     nd

      ensitivity

     

    of 2/100,000

     

    n.

     

    (See Figure  or 

    arrangement

      o f oad ell nd dial

     

    indica-

     

    tors. 

    Constant

     

    oad

      ever-type-press oads were determined y omputing 

    he

     

    hanger weights sing he 

    ever

     arm

      ratio.  The

     

    oad

     pplied o

     

    ach

     

    pecimen 

    was

     hecked  y placing 

    a

      oad cell 

    n

     he pecimen est  space nd

     

    reading

     

    the

      oad 

    with

      he

     

    anger 

    weights n 

    place.

      Deformations were measured

     

    using

     

    he

      ame

     

    ype

     

    o f

     

    extensometer

     

    s

     

    was

     

    sed

    in

     

    he

     

    onstant

     

    tress

     

    appa-

     

    ratus

     

    see 

    Fig. 

    7). 

    Temperature

     control 

    Test  emperatures

     

    f

     

    25F and

     

    ower 

    he walk-in

     old 

    room

     

    were

     

    on- 

    trolled

     

    o within ±1F.  To damp  emperature  luctuations o

     

    ess han ±0.  ÜF ,

     

    tests

     were conducted

     n 

    nclosures

     onstructed 

    n. 

    thick

     igid ype n-

     

    sulation

     Sty 

    rofoam). 

    Test

     

    emperatures 

    bove

     25F 

    were

     controlled  y heating and irculating

     

    air within he 

    nsulated

     est nclosures.  Each est

     pecimen 

    was oused n

     

    split Lucite ylinder 

    o

     

    reduce

      temperature 

    lue

    tu

    a

    t'ons f

     

    he  air  surrounding 

    it.

      Heat

     

    was

     

    upplied 

    ight ulbs

     

    mounted n

     he

     

    an

     air-stream. 

    The em- 

    perature

     

    was

     egulated

     

    mercury-column-type hermoregulator which

     

    activated

     

    elay

     

    o upply

     heat upon 

    demand.

     

    Air emperatures 

    within

     he 

    Lucite

     

    nclosures 

    urrounding 

    he est peci- 

    men

     were held constant

     well

     

    within

     ±0.

     IF

     of

     

    he desired

     emperature.

     

    Tempera

    t

    u

    r

    measurem

    ent

    s

     

    Temperatures

     

    5F

     

    nd  ower were

     measured

     

    o he nearest

     

    . SF

     

    with

     

    mercury  hermometer placed within 

    he

     nsulated nclosures.

     

    Inside he

     

    Lucite

     

    nclosure  hermistor ensed

     

    he emperature f

     

    he air urrounding

     

    the

     

    est

     pecimen 

    and

      the 

    readings

     

    v.ere

      recorded 

    very

      1.2S 

    min

      on 

    I

     l~

     

    point  nd 

    ype  ecorder, 

    to  he

     

    nearest

      0.

     IF Test 

    emperatures

     

    bove

     

    25F

     were

     measured o

     

    within I).  F 

    sing

     he 

    ame

     ensing and  recording 

    y.

     

    tern 

    ut

     with 

    ncreased 

    ensitivity.

      Thermistor

     eadings were hecked aily 

    using  manually operated 

    Wheatstor.e

     bridge.  Cold-room 

    emperatures

     out- 

    side

     

    f

      nclosures)

     were

     

    recorded

     

    ontinuously. 

    MATERIALS

     

    Ottawa and 

    20-30)

     

    and 

    Manchester 

    inti

     and

     were

     

    ested.

      Ottawa 

    sand 

    represents  nearly dealized granular  soil.

     

    Manchester  ine sand 

    i. ,

      a  natu-

     

    ral

      sand 

    with

     uite niform 

    gradation;

      it 

    s

      finer han

     

    Ottawa and (see 

    Fig.

     

    0  

    for  gradation).

     

    imited

     

    number

     f

     

    ce pecimens rozen 

    nder

     

    he

     

    ame

     onditions

     

    s

     

    those

     

    or

      he 

    oils

     were ested s  correlation

     

    material nd

      o

     btain 

    ce-test 

    data using 

    he

      ame  esting 

    quipment.

      Ice-specimen densities 

    were

     

    ess

     

    than

     

    hat  or

     

    olid

     

    ce

     

    oecause f 

    air

     entrapment 

    during

      reezing.  (See Table

     

    AIII, 

    App. 

    A,

     

    for

     densities.

    )

  • 8/18/2019 creep of sand

    19/63

    12

     

    CREEP

     OF

     

    FROZEN SANDS

     

    STD

     

    SIEVE

     

    SIZE

     

    NO  40

     

    O

     

    200 

    *

     

    > -

     

    Ui

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    20/63

    CREEP OF FROZEN SANDS

     

    After aturation,  the pecimen-charged moid was  laced n he reeü-ig

     

    cabinet.  Spaces etween he 

    ides

     f  he

     

    mold 

    nd cabinet

     

    were

     

    nsulated with

     

    granular cork.  After emoval  f he 

    op

     mold cover  de-aired water upply

     

    was onnected  o 

    he

     bottom 

    of the

     mold 

    o

     permit 

    pecimen

     reezing  n n open

     

    system.

      In

     

    his

     rrangement  he bottoms 

    f

      he pecimens were  xposed o

     

    40F with 

    a

      ree water upply,

     

    and  he  ops were  xposed 

    o

     cold circulating

     

    freezing 

    air.  The

     

    ate

     of

     progress f  he

     

    2F 

    sotherm

     

    was determined

     

    y

     

    means

     

    f

      hermocouples paced 

    in.

     

    apart

     

    along

      he vertical axis of  he en-

     

    ter

     

    pecimen. 

    Soil

     

    samples were 

    rozen 

    within 

    period 

    of

      days,

      i

     

    e.  the

     

    average ate 

    f

      rost penetration was 

    1

     

    IZ 

    n.

      per 

    day.

     

    In

     reezing  ce amples he procedure 

    was 

    imilar 

    o

      hat outlined  or

     

    soils.

     

    owever,

     

    o

     

    educe 

    ntrapment

     of

     

    air

     

    bubbles 

    n

     

    he

      ce

     

    he

     

    ate

     

    of

     

    freezing was educed 

    o

     approximately 

    /4

     

    n.

     per 

    day.

     

    To 

    emove

     

    he

      rozen 

    pecimens rom he 

    reezing

     

    mold,

     

    the

     mold

     

    was

     

    clamped  n  pecially constructed 

    rame

     and 

    ach

     pecimen was jected  y

     

    pressing

     

    against 

    he

     plit 

    leeve

     using 

    hydraulic 

    ack with

     

    n

     

    ejector

     

    plate.

     

    The

     

    jector plate

     diameter matched

     

    he 

    mold bore

     

    nd

     

    ad 

    aised

     outer im

     

    that permitted ejection of  he 

    pecimen

     

    n

      he leeve 

    without

      oading he peci-

     

    men.

      The

     

    plit

     

    leeve was 

    emoved rom he

      jected

     

    pecimen 

    y

     

    xpanding

     

    its diameter with 

    a

      hin blade  nserted  nto  he plit.

     

    Tri

    mm

    ing

     

    After 

    emoval

     of  he split  leeve,  the pecimen was 

    nspected

      or mper-

     

    fections and

     cut

      o

     approximately 

    a

     6-in.

     

    height.

     

    Rough 

    cutting was

     

    ccom-

     

    plished

     

    with

     a

     

    hacksaw

     

    and

     

    wooden

     

    miter

     

    box.

     

    The

     

    nds

     

    were

     

    quared

     using 

    a

     

    special case-hardened vee-shaped miter box and arious gradations f wood

     

    rasps

     

    nd

     

    teel

      iles. 

    After  he

     

    pecimen 

    nds 

    were

     

    rimmed

     o

     

    inal ength,

     

    the dimensions were determined 

    by

     measuring  he ircumference at  he 

    op,

     

    midheight,  and bottom) and 

    ength

      at ix ocations round he perimeter)  o  he

     

    nearest /1000

     

    n. 

    Variations

     n 

    pecimen

      ength 

    ai

    ound

     

    he circumference

     

    were within 

    0. 005

      n.  of  he verage  xcept  or bout

     

    J  pecimens with varia-

     

    tion

     up  o  0.

     

    01

     

    n. 

    of

     

    he

     average.  The diameter varied ess han  0.

     

    003

     n.

     

    along  he

     

    pecimen

      ength.

     

    The  olume of  ach pecimen 

    was

     determined  y  ubmergence n 

    iquid

     

    isooctane 2,

     

    2 ,

      4 

    rimethylpentane) at

     

    20F.

     

    After

      olume determinations 

    were

     made,

     

    Ottawa 

    and

     

    ample

      nds 

    were

     

    capped

     

    with

     a  hin  ayer

     

    of 

    ce 

    o

     void ocal 

    tress

     

    oncentrations

     t 

    he

     ela-

     

    tively  arge  and 

    grains

      n

     

    contact with  he 

    oading

     caps.  The 

    capping

     was c-

     

    complished

      y

     

    pouring 

    ayer

     

    of

     

    2F

     

    water

     

    on

      lat

     

    glass

     

    plate,

     

    then 

    etting

     

    the  pecimen  nd 

    on

      he 

    plate 

    nd

     llowing 

    he 

    water o  reeze o  he

     

    pecimen

     

    in  he cold oom.  The glass plate was emoved  y 

    gently

     warming  he outer

     

    surface of 

    he 

    plate.

     

    It was ot onsidered necessary  o ap Manchester  ine and pecimens with

     

    ice

      ince

     

    he  ine

     

    oil 

    grains

     

    provided

     a 

    mooth

     contact

     

    urface 

    or 

    he  oading

     

    caps.

     

    All

     

    pecimens 

    were 

    ealed

     

    circumferential

     

    ubber

     membranes

     nd 

    metal

     

    end caps 

    or

     

    esting.

     

    Storage

      nd

     

    empering

     

    Prior

     

    o

     preparation or  esting,  the pecimens 

    sually

     

    emained

     n  he

     

    sealed 

    reezing mold.

      Occasionally

     

    t was

     

    necessary  o

     ject

     several

     

    pecimens

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    21/63

    1 -1  

    CREEP

     

    OF FROZEN  SANDS

     

    in

     

    dvance

     

    f

     preparation

     or

     

    esting.  Those 

    pecimens

     were ealed

     n

     ub-

     

    ber membranes 

    nd

     emporary 

    nd

     aps, 

    then

     ealed n plastic ags 

    with

     

    crushed

     ce o liminate ublimation.  No change n 

    pecimen

     weight ould

     

    be detected n 

    weighings

     

    f

      elected 

    specimens

      before nd 

    fter

      storage.

     

    Storage 

    periods

     

    id 

    ot 

    exceed

      6 

    weeks.

     

    Before

     

    esting,

     

    all

      specimens 

    were

      stored t 

    the

     est emperature

      or

     

    minimum 

    of  8 ours. 

    The  required

     empering 

    ime

     was 

    hecked

     

    sing

     hree

     

    thermocouples 

    mbedded

     t he 

    midpoint

     

    and

     quarter points f

     

    he 

    xial

     eight

     

    of  ontrol

     pecimen.  This heck 

    howed

     hat 4 ours was ufficient 

    ime

     

    for he 

    sp-cimen

     

    o

     

    reach

     quilibrium t he est temperature.

     

    CREEP AND STRENGTH TESTING PROCEDURE 

    ,eh 

    est

     emperature 

    eries

     

    f

     

    compression  type  ests

     

    was

     

    on-

     

    first 

    determining

     he instantaneous"

     

    trength* of 

    he

     

    rozen 

    oil 

    -l

      * .u

     r 

    .

     

    ._„.„

     

    ..  .. ~. ->

     

    .

     

    At

     acl 

    ducted y irst oeiermimng ne 

    instantaneous

     

    sirengin--

      i 

    me

     rozen  on

     

    or ce 

    nd

     hen performing creep  ests t educed tress evels.  Each est

     

    series ncluded onstant  stress nd onstant oad compression ests per-

     

    formed at stress evels f

     

    approximately  0, 35,  20,  10 and  .5'% 

    stress 

    ratio,  p) of

     

    he

     

    verage nstantaneous 

    trength.

     

    One

     est

     eries was onduc-

     

    ted

     

    t

     

    ach

     f

     

    he

      ollowing 

    est

     

    emperatures:  15 , 

    25,

      29

     

    nd

     

    1F.  All

     com-

     

    pression ype  ests 

    were

     performed on pecimens  .8 n. 

    in

     diameter  y  n.

     

    high. 

    Whether

     

    onstant-stress

     r constant-load ests 

    were

     performed de-

     

    pended pon he 

    magnitude

     f  he 

    pplied

     tress nd he xpected deformation.

     

    Constant

     

    oad

     

    ests

     

    were

     

    sed

     

    or

     

    igh

     

    tress

     

    nd

     

    or

     

    mall

     

    xpecied

     

    dafor-

     

    mation at 

    ow

     stresses,

      while 

    onstant

     

    tress

     

    ests

     

    were

     performed 

    at 

    nter- 

    mediate tress

     

    evels i.e., 

    in

     he ange

     

    of

      15

      o

      0%)

     where

     

    he

     deforma- 

    tions were 

    xpected

     o  e arge.

     

    The 

    compression

     creep 

    est 

    ach

      pecimen was performed  y  irst

     

    applying  eating

     

    oad of 

    approximately 

    si

     

    o

     he

     pecimen

     o 

    nsure

     posi- 

    tive ontact between 

    he

     est

     pecimen

     

    nd

     

    omponents

     f  he

     

    oading ystem,

     

    a

     

    we

     

    ive  Luiiidv.i

     

    uciwceu  tue  i  

    c

     

    i  

    »(JCLUMCII

      anu 

    components

      ui 

    nit*  loauiug

      &y

     

    bitin,

     

    nd

     hen

     

    pplying

     

    he est

     oad

     

    n

     ess

     han 

    ec.  Instantaneous 

    trengths 

    were

     determined

     

    moving

     he

     

    oading press ead

     

    gainst  he pecimen  t

     

    rate

     

    f 0.2

     

    n.  per min strain ate

     

    f

     

    ,033 p?r min).  After  ach

     

    est was

     

    completed,

     

    photographs

     

    were

     aken

     of

     

    he

     

    est pecimen

     see 

    Fig.

     

    11-13

      oi 

    typical  specimens)

     

    and

     

    wate-

     

    ontents

     

    were

     determined. 

    TEST

     

    RESULTS

     

    Figures  14-16 

    how

     

    ypical  time-d

    e

    formation

     urves

     

    (Ottawa 

    and,

     

    Man-

     

    chester ine and

      and  polye rystal line

     

    ce)

     

    produced 

    directly 

    rom data

     

    or

     

    each

     

    pecimen  subjected

     

    he nconfined 

    ompression 

    creep  est.  The 

    ime-

     

    strain urves

     

    n Figures  17 

    hrough

     0 

    and

     Figures  through 4 

    ummarize

     

    the 

    data or Ottawa sand 

    nd

     Manchester ine  sand  respectively.  (Where

     more

     

    than  one pecimen umber s  shown  o n

     

    ingle, curve,  the

     

    urve  represents

     

    the verage

     f

      he urves btained 

    or

     pecimens ndicated and

     

    he 

    vertical 

    bars ndicate he total ange of

     values. )

     

    A

     ummary 

    of

      ndividual 

    pecimen

     

    data

     

    s

     hown 

    n

     Appendix A.

     

    *

     Instantaneous"

      strength used

     erein

     

    he

     

    maximum

     trength determined 

    by oading he  est pecimen t  constant  train

     

    aif f 

    0.03

     

    3

     

    per

     min.

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    22/63

    CREEP

     

    OF FROZEN 

    SANDS

     

    15

     

    a.

      Brittle

     

    ailure n  nstan-

     

    taneous trength  est.  Temp,

     

    25F,

      e-0. 58.

     

    OWS-51  

    b. 

    Plastic-shear

    failure

     

    at

     

    815

     

    psi (63.5% of instantaneous

     

    strength).  Temp, 

    5F,

     

    e

     

    =

     0. 60.

     

    c.  Specimen ubjected  o

     

    Z O O

     

    psi

      13.7%

     

    nstantaneous

     

    trength)

     

    for 501

     hr

     

    25F;

     

    =

     

    0

      60.

     

    figure  11 .

      Typical

     Ottawa

     

    and 

    pecimens

     

    fter

      esting.

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    23/63

    CREEP

     

    OF

     ROZEN' SANDS

     

    M* 

    n|iiii|

     i|nnfjiTT|Hii|unpnrpnr

     

    N

     

    f

     

    a £ 

    '- 

    In

     

    •H

     

    v. O 

    0

     

    3

      (H 

    61 

    i

     

    «§&?.>£* 

    Ä-m 

    i^Vi'

     

    -

     

    $*

     

    |intjiiii|iiii|fTTT[rr

     

    i* 

    *

     

    « o

     

    tau«

     

    3

    at

     

    I f

    c

     

    o

     

    t-

     

    -^  n  

    ra

     

    rfl

      C  

    3 -

     

    n

      o 

    (X

     

    « 

    DC 

     ̂ C 

    E

     

    ••-I

     

    0) 

    -a

     

    c

     

    0) 

    ü

    -3

     

    k, 

  • 8/18/2019 creep of sand

    24/63

    CREEP OF FROZEN 

    SANDS

     

    17

     

    Ä

    ;

     ÖÄli;  . . . 

    B>SB?

     

    ji|Hri|H)miii|iiiijii'.| ii |iiii|iiii> 

    i_ 

    15 " O

    '

      -*

     

    O

     

    rg 

    Ul

     

    vD 

    0

    u

     

    U l

      -  ̂

    1 1  

    0.

     M

     

    "*H

    0

     

    m  

    -

     

    «5  

    to

     

    c

     

    u

     

    flj

      U)

     

    0)  0

    l- c

     

    1 )

     

    1 )

     

    C

     

    u

     

    U ) 

    J2 

    Ifl 

    UH 

    > .

     

    O  ̂

    H

     

    rj

    .

     

    m

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    25/63

    18

     

    CREEP OF ROZEN SANDS

     

    0

     

    00 00 00 OO

     

    000

     

    200

     

    I, IME e 

    Figure 4.  Creep  ests  in 

    nconfined

     

    compres-

     

    sion,

      Ottawa  and  ZO-30),  15F.

     

    r

     

    '

      ' 

    T " 

    MFS

     2 v, 50 p» i

     

    003

     

    -

     

    T

    O

    I 00?- 

    li. 

    Id

     

    o

     

    0 01

     

    _MFS

     

    1,

     200 ps i 

    s-

    m

    r  

    MFS

     

    7S,

     

    150

     p» , 

    1.

     

    1

     

    400 

    600

     

    800

      hr

     

    2

     0 

    I

     

    0- 

    JMFS

     

    92 

    1

     

    9

     

    75

     pn

     

    |

      —

    T

    -|

     

    ~-

    I—

    .1 

    ..

     

    /̂MFS 75V 

    _̂̂ _̂ *-̂ ^

     

    560 pii 

    11

    30 

    m m

     

    Figure  IS.

    C  

    reep tests 

    in

     

    unconfined

     compression,

     

    Manchester  ine and,  15F.

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    26/63

    CREEP Or

     

    FROZEN SANDS

     

    1 9 

    1C £ fcV, 160 PI 

    (595%) 

    ICt

     5V,93p«./

     

    CE

     .34p.t 

    (35%)   1 

    20X1/'

     

    IC E 14,5

      p»i(>M02\)

     

    __ 

    i

     

    zo'

     

    300

     

    4 00

     

    I,

     IME r

     

    b

     

    Figure

     

    16 .

     

    Creep est 

    on

     ce in

     

    unconfined 

    om-

     

    / est tress

     

    pression.

      p   =   stress  ratio 

    - .

     

    r-

     .

     

    'instantaneous 

    trength

     

    016 

    012

     

    0.08 

    a:  

    0 04- 

    ~r

      ~r 

    RANOE

      OF  

    VALUES

     

    600

     

    00

     

    000 

    t,

     

    IMC

     

    Figure 

    7 .

      Time s train,  Ottawa  and 20-30), i5F.

     

    1200 

  • 8/18/2019 creep of sand

    27/63

    < J0

     

    CREEP

     

    OF

     

    FROZEN

     ANDS

     

    0

     

    08- 

    0 04 

    -OWS 3

     

    a

     56,

     

    90

     ps i

      (60%)

     

    '-

     

    -SPECIMEN

     

    TWISTED O W S 29V) 

    INSTANTANEOUS

     

    STRENGTH 

    1460 ps i

     

    OW S 

    2J.

     1IV8 32V, 200 pn 15%)

     

    OW S 8, 180. 19c, 

    A

     20o, SOpli

    (4X) 

    800 

    1200

     

    TIME

    1600 

    hr 

    _1 _ 

    2000

     

    400

     

    Figure

     8.

     

    Time

     s  strain,  Ottawa and

      20-30),

      25F.

     

    OW S

     Bl.84,86 

    100

     

    775

     ps i

     

    (̂ «60%)

     

    004-

     

    INSTANTANEOUS

     

    STRENGTH

     

    1320

     pn

     

    OW S

     

    4

     99,  100 

    pti

     

    (8 )

     

    JL 

    800

     

    hr

    1000

     

    200

     

    Figure  19 .  Time 

    s

     train, 

    Ottawa

      and 

    20-30),

      29F,

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    28/63

    imHMiHnMiMOTwnn 

    CREEP

     

    OF

     

    FROZEN

     

    ANDS

     

    Zl

     

    U 16 

    I

     

    1

     

    0 1?

     

    OW S 34,139,119  8  15 2 

    150

     n *>

     

    20%}

     

    INSTANTANEOUS 

    STRENGTH 

    74« p..

     

    0

     08

     

    [

      / 

    - O W S  136, 38 . 

    t

     

    42 

    26C >  

    135%)

     

    /

     

    - O W S 0IV, 02V

     a

     

    16 V 

    400

     ps i

     

    (54%)

     

    ■ 

    0 04 -

     

    /

    Z . 

    W S  121, 22 8 25

     

    '

     

    80

     pjr

     

    11%) 

    "~ 

    ows 

    13 2 

    140 

    » 

    4

     3 

    20 

    pii  (2.7%)

     

    —  

    i  i 

    400 

    600

     

    TIME

    BO O 

    hr 

    1000

     

    Figure 20.

      Time

     s

     train,

     Ottawa 

    and

      20-30), 

    31F.

     

    1200

     

    ~ <

     

    0.8- 

    .

    4

     -

    M ^S

     

    84,89

     

    3

     92

     

    57a ti 

    (?

    ■   35%)

     

    . M F S

      85,87, 

    94

      a

     5

     

    1660

     si   (60%) 

    INSTANTANEOUS

     

    STRENGTH

     

    2790pn 

    MFS  72V

     

    1V , 

    50

     pti 1 2 %) 

    T

    600

     

    00

     

    00 

    t,

     

    IME

    Figure 1.  Time s train, 

    Manchester

     ine and,

     

    5F

     

    400 

    hr

     

    te*iÄ l̂äij

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    29/63

    IL

     

    CREEP 

    OF FROZEN

     SANDS

     

    06

     

    . 0.4 

    -

    0

     

    2-

    MFS

      50,64  R 

    1199

      psi 

    (P-60V.I 

    M FS

     

    1,52 

    3

     

    694  li  35%)

     

    20 

    1

     

    /MF$ S?V, 5H V 

    4

     67

    V

     

    400 pn   (20%) 

    INSTANTANEOUS 

    STRENGTH 

    2000

     pii 

    M FS

     9  0, 

    60

      li 8%) 

    40 

    ~r

     

    60 

    TIME

     

    1^

     

    80

     

    1 00  

    1 20  

    Figure 1.  Time s train,  Manchester  ine and,  Z5F.

     

    06-

     

    04

    M FS   4,19 8

     23

     

    77: »i 

    P-57%)

     

    MF S

     

    25,35

     8

     

    470 ps,  35%) 

    -i

     

    /MFS 29V 

    a

     

    1 V  

    265 pn

     

    (20%) 

    INSTANTANEOUS

     

    STRENGTH

     

    1240 pn 

    MFS  30,38

    ,45 

    8

      48,

     

    00

     

    p»i 

    (74%)

     

    i  —i 1  

    '

      r~

     

    an

     

    ,n

     

    0

     

    00

     

    ?0 

    O

     

    TIME

    «n 

    hr

     

    Figure 3.  Time s train,  Manchester 

    ine

     and,  Z9F 

  • 8/18/2019 creep of sand

    30/63

      U P I I|1WW

    CREEP

     

    OF

     

    FROZEN

     

    SANDS

     

    23

     

    0 08 

    I FS   21V 

    41 V 

    /

     

    Ü0 pst ̂ --35%)

     

    M FS

     

    7V

     

    a 42V 

    160 

    IP

      (20%)

     

    INSTANTANEOUS

     

    STRENGTH

     

    805 PJI 

    JMFS 4V

      6V

     

    150 

    psi

      (18 

    8%) 

    ME S 

    5V

     

    V, C

     

    ps i 

    (9 9%) 

    Figure 4.  Time  s train,

     

    Manchester 

    ine

     and, 

    3IF.

     

    DISCUSSION 

    Strain-time data 

    Creep

     

    data presented

     

    as deformation

      s

      ime

     

    curves are

     

    he

     

    primary  e- 

    sults of  his 

    nvestigation

     

    and, 

    with 

    he

      xception 

    of

     

    he

     

    instantaneous" tress-

     

    strain 

    curves,

      are  he 

    basis

     

    of

     

    all

     

    he 

    urves 

    eported

     

    herein.

      Typical  ime- 

    deformation curves  or

     

    ands re

     

    hown  n Figures 

    4

     

    and

     

    5.

      From  hese 

    curves,  true  "logarithmic" 

    r

     "natural")

     

    strains* were

     

    computed by

     

    subtract- 

    ing

     

    est-machine

     calibration values  rom  he deformations nd

     adjusting 

    he

     

    constant

     

    oad

      est  alues o 

    a

     

    constant

     stress 

    basis.

      Typical  ime-strain 

    curves

     

    are

     

    hown  n 

    Figures

      17 

    4.

     

    Deformation

     

    s  ime,  and

     strain 

    s ime,  curves

     

    or

     

    ach

      emperature 

    can

     

    be

     grouped 

    according

     

    o

     

    hape.

      The 

    curves

      or  ower stress

     

    atios    0% )

     

    approach  straight

      ine

     with elatively

     

    mall

     

    deforma- 

    tions

     prior 

    o

      ailure.  Figures  17

     

    o  0  Ottawa  and) and  1  to 

    24

      Manchester 

    fine

     

    and) are

     ets

     of 

    average

     train 

    s

     ime

     urves

     howing  he 

    hree

     differ- 

    ently 

    haped 

    curves.

     

    The

     ow stress

     

    atio group of 

    curves 

    onsisting 

    of

     

    nstantaneous  lastic,

     

    time-dependent

     elastic,  and plastic

     

    omponents epresents trains

     

    or 

    defor-

     

    mations)

     

    esulting

      rom tresses maller  han  he

     

    ong-term trength f 

    he

     

    frozen oil.  The 

    various

     

    deformation

     components

     

    re  abeled

     

    on he 

    deforma-

     

    tion

     

    ebound 

    curve

      n Figure 25a.

    The 

    otal maximum  ong-term train 

    of

     

    he

     

    True 

    train  n

      /(1-e

    c

     where 

    he

     conventional

     

    train  c  AL/L

    0

      = xial 

    deformation/original

     ength. 

    t See 

    page

      or

     

    definition of  erms. 

  • 8/18/2019 creep of sand

    31/63

    Z4

     

    CREEP

     

    OF

     

    FROZEN

     

    ANDS

     

    specimens 

    ested

     

    did

     not  xceed

     

    .

     

    Ü 5 

    nd

     .  0 

    n.

      in,

     

    for Ottawa and 

    nd

     

    Manchester

      ine 

    and,  respectively. 

    Ten 

    ebound ests 

    performed

     on

      rozen

     

    Ottawa and 

    ndicate

     hat  he 

    otal

     lastic omponent  s 

    ess

     han

     

    5% of  he

     

    total

     

    deformation

     and

     hat  he

     

    amount

     

    of 

    nstantaneous

     lastic

     

    deformation 

    s

     

    generally ess han  ime-dependent  lastic deformations see Table ).

     

    The

     

    percentage 

    anges

     of  otal deformations hown  n Table  ndie. e hat  r-

     

    reversible 

    plastic 

    ype) 

    deformation s

     ominant 

    ven 

    at tress evels

     

    below

     

    the 

    ong-term

     trength.

     

    0 06

     

    006

     

    <

     

    2

     

    c c  

    o

     

    U- 

    UJ  

    004

    0.02 

    H

     

    eformat ion

      of  test  m ac hint 

    nstantaneous

     

    elastic deformation f  specimen 

    IA niiantaneoui 

    eloihc

      rebound  of   specimen 

    2 nstantaneous plastic 

    dtformation

      o f  iptci

     

    «e n 

    3

     

    imt  dtptndtnt  tlaific 

    rebound

      of  

    specimen 

    4

     tuduol 

    eformation

      of 

    pecimen

     

    4—*-- 

    =^=W

     

    a

     

    ypical ebound

     

    curve 

    z

     

    005 

    1

     

    4  

    Jf̂

     

    OWS 58V

     

    600  ps i 

    TEMP: 

    5*F 

    -

     

    "a" 

    i

    STAGE

     

    STAGE 

    I,I

     

    1   i

     

    STAGE 

    m

     

    I

     

    200

      400 

    00 

    00 

    t, 

    T  M 

    E, hr

     

    b

     

    Ciassicol  Creep

     Curve

     

    Typical 

    1000 

    1200  

    Figure

      .5 .

      Typical

     

    ebound and

     classical

     

    creep 

    curves, 

    Ottawa

     

    sand  20-30).

     

  • 8/18/2019 creep of sand

    32/63

    CREEP

     

    OF

     

    FROZEN SANDS 

    25

     

    Table . 

    Types

     f deformations

     

    rom

     

    ebounded reep 

    ests, 

    frozen Ottawa 

    and.

     

    Percent

     

    f

     

    Total 

    Deformation 

    Temp

      Stress

     

    JFJ_ 

    (psQ

     

    1 5

     

    24.5 

    29

     

    17 0 

    5 0

     

    100 

    Instant* 

    rebound

     

    0  o

     

    2.5

     

    o

     

    0  o 

    Delayed

     

    elastic otal 

    rebound

     

    ebound 

    1.0  o  .3 

    o

     

    to

      10

     to

      14

     

    1

     

    to

     

    to  4

     

    Plastic 

    r

     

    plasto-viscous

     

    d  e  f

    o

     

    r

    m

     

    9' o

     

    9  

    86 o 92 

    96 o

     

    u

    Rebound

     

    time 

    l

      erved 

    ____ÜH) 

    1/2

     

    38 2

     

    1  

    Deformation 

    observed 

    0

      ec fter emoval

     

    of

     

    oad. 

    At

      he  ntermediate stress

     a

    tios,

      the

     strain

      s

     ime curves 

    display

     

    he

     

    characteristics of

     

    he 

    classical

     creep

     

    curves  or 

    metals.

      These curves

     

    how 

    instantaneous lastic nd delayed lastic 

    i.e., 

    viscoelastic), viscous, visco-

     

    plastic 

    nd 

    plastic

     

    trains

     nd

     

    ventual

      ailure. 

    In Figure

     

    5b

     

    hesr

     

    ompo- 

    nents

     

    nd

     

    he

     

    hree 

    creep

     

    tages re