Stress-strain pattern-based criterion to assess cyclic shear resistance of soil from laboratory element tests

The cyclic shear response of soils is commonly examined using undrained (or constant-volume) laboratory element tests conducted using triaxial and direct simple shear (DSS) devices. The cyclic resistance ratio (CRR) from these tests is expressed in terms of the number of cycles of loading to reach unacceptable performance that is defined in terms of the attainment of a certain excess pore-water pressure and (or) strain level. While strain accumulation is generally commensurate with excess pore-water pressure, the definition of unacceptable performance in laboratory tests based purely on cyclic strain criteria is not robust. The shear stiffness is a more fundamental parameter in describing engineering performance than the excess pore-water pressure alone or shear strain alone; so far, no criterion has considered shear stiffness to determine CRR. Data from cyclic DSS tests indicate consistent differences inherent in the patterns between the stress-strain loops at initial and later stages of cyclic loading; instead of relatively 'smooth' stress-strain loops in the initial parts of loading, nonsmooth changes in incremental stiffness showing 'kinks' are notable in the stress-strain loops at large strains. The point of pattern change in a stress-strain loop provides a meaningful basis to determine the CRR (based on unacceptable performance) in cyclic shear tests. Key words: liquefaction, cyclic failure, strain criteria, shear stiffness, cyclic shear strength, sands, silts, mine tailings. La reponse de cisaillement cyclique des sols est generalement examinee a l'aide d'essais d'elements non draines (ou a volume constant) de laboratoire effectues en utilisant des appareils de cisaillement simples triaxiaux et directs (DSS --<< direct simple shear >>). Le rapport de resistance cyclique (CRR - << cyclic resistance ratio >>) de ces essais est exprime en termes de nombre de cycles de charge pour atteindre un rendement inacceptable qui est defini en fonction de la realisation d'une certaine pression d'eau interstitielle en exces et/ou un niveau de deformation. Alors que l'accumulation de deformation est generalement proportionnelle a la pression d'eau interstitielle en exces; la definition de la performance inacceptable dans les essais de laboratoire basee uniquement sur des criteres de deformation cyclique n'est pas robuste. La rigidite de cisaillement est un parametre plus fondamental dans la description de la performance technologique de l'exces de pression d'eau interstitielle seul ou la deformation de cisaillement seule; jusqu';! present, aucun critere n'a examine la rigidite de cisaillement pour determiner le CRR. Les donnees provenant des essais DSS cycliques indiquent des differences constantes inherentes aux modeles entre les boucles de contrainte-deformation a des etapes initiales et ulterieures de chargement cyclique; au lieu d'obtenir des boucles relativement << lisses >> de contrainte-deformation dans les parties initiales de chargement; les modifications non lisses de la rigidite par incrementation montrent des << plis >> remarquables dans les boucles de contrainte-deformation a de grandes deformations. Le point de changement de modele dans la boucle de contrainte-deformation fournit une base significative pour determiner le CRR (base sur le rendement inacceptable) dans des essais de cisaillement cycliques. [Traduit par la Redaction] Mots-cles: liquefaction, echec cyclique, criteres de deformation, rigidite en cisaillement, resistance au cisaillement cyclique, sables, limons, residus miniers.
Introduction The response of soils under cyclic shear loading is a subject that has received wide attention particularly due to the well-observed occurrence of liquefaction and associated geotechnical hazards in [...]