Sand behaviour in simple shear studied with x-ray tomography

Diese Masterarbeit ist eine von drei, welche sich mit einer erneuten Untersuchung des Simple-Shear Versuches befasst. Der Simple-Shear Versuch wurde bereits in den 1950er Jahren entwickelt und ermöglicht es für gesättigte und ungesättigte Bodenproben, Spannungs- und Dehnungsverhalten abzubilden als auch Bodenparameter zu bestimmen, zufolge eines ebenen Spannungszustandes. Üblicherweise werden Simple-Shear Versuche als Elementversuche, welche von konstanten Spannungen und Dehnungen über den gesamten Probenkörper ausgehen, ausgewertet. Der Simple-Shear Test ist jedoch vom Verhalten her kein Elementversuch, da es zu Inhomogenitäten im Verzerrungsfeld kommt. Im Zuge dieser Arbeit wird der Simple-Shear Versuchs mithilfe von Röntgentomographie in Zusammenarbeit mit der Université Grenoble Alpes untersucht. Es wurden Versuchsreihen für Proben mit vergleichbarer Porenzahl und konstanter vertikaler Belastung durchgeführt. Es erfolgt eine globale Auswertung der Tests und eine anschließende Untersuchung der erzeugten Tomogramme mit „Digital Image Correlation (DIC)“ um das Verzerrungsfeld im Probeninneren erfassen zu können. Ziel ist es, bestimmen zu können, inwiefern die aus der idealisierten Auswertung ermittelten Parameter als Elementversuch mit den tatsächlichen Bodenkennwerten übereinstimmt, da des tendenziell zu einer Unterschätzung dieser kommt. Der bestehende Simple-Shear Apparat wurde verbessert und mit einer Möglichkeit zur Messung der Horizontalkraft erweitert. Die Versuchsreihe wird mit Hostun Sand (HN 31), welcher mit einer Porenzahl von $e=0.66$, als dichte Probe eingebaut wurde. Es wurden drei Simple-Shear Test mit unterschiedlicher vertikaler Belastung durchgeführt, ausgewertet und miteinander verglichen. Die Auswertung der Versuche ergibt, dass der Versuch bereits gute Ergebnisse liefert, jedoch noch Verbesserungsmöglichkeiten bestehen. Das Hauptmanko stellt das „Teil 6“, welches die vertikale Last aufbringt, aufgrund der zu geringen Steifigkeit dar. Die aus de
This master thesis is one of three, which deal with the re-examination of simple shear tests. The simple shear test was already invented in the 1950’s and was made to determine for saturated and unsaturated soils, stress-strain responses, as well as soils properties under plane strain conditions. Customarily, simple shear tests are evaluated as element tests, that means that it is assumed, that stresses and strains are distributed constantly along the sample. However, it is shown that simple shear tests does not behave as an element tests, there are inhomogeneities in the strain field. In the following report simple shear tests are analyzed by X-ray tomography in collaboration with the Université Grenoble Alpes. Series of experimental tests for specimen with comparable void ratios and constant vertical load have been made. The report shows a global analysis of the experiments and an investigation of the tomograms via “Digital Image Correlation (DIC)” to capture the stain field inside the sample. The aim is to determine in what extent the idealized evaluation of the parameters as an element test match with the actual soil properties. The evaluation of the soil parameters as an element test leads to an underestimation of them. Improvements of the existing simple shear apparatus and a possibility for a horizontal load measurement were applied to the apparatus. For the test series Hostun sand (HN 31) with a void ratio of e=0.66, which equates a dense sample, is used. Three simple shear tests with different vertical load were carried out, evaluated and compared to each other. The simple shear tests already provide good results, however there are some improvement opportunities. The main issue is “Part 6”, which applies the vertical load, due to the fact, that the stiffness of this part is too low. The strain fields computed from the experiments are used as reference value in finite element modelling.
Alexander Wörle, BSc
Masterarbeit Universität Innsbruck 2022
Zusammenfassung deutsch und englisch