Bender elements, ultrasonic pulse velocity, and local gauges for the analysis of stiffness degradation of an artificially cemented soil

Abstract

Stiffness at small strains and its respective degradation are crucial information to determine more precise design parameters. Despite their importance, these properties are not usually investigated. Thus, the objective of the present work was to study the stiffness degradation of artificially cemented Osorio sand by means of different laboratory methods. The choice for a cemented material was based on environmental, economic, and technical appeals. The present study also aimed to develop and validate a Bender Elements (BE) system that can provide reliable results in the evaluation of soil degradation. BE pairs were built for bench and triaxial tests. In addition, a signal amplifier, as well as scripts were specially developed for the interpretation of data in the time domain. Increase in stiffness during the curing process was evaluated by shear wave velocity measured by BE and an ultrasonic pulse wave velocity (UPV) equipment under atmospheric pressure conditions. Stiffness degradation tests were conducted in a specially modified triaxial chamber for BE installation After seven days of atmospheric curing, specimens were sheared in the modified triaxial equipment, while stiffness changes were obtained by BE tests and internal instrumentation. The results showed that the developed BE system was capable of successfully evaluating the studied soil. The comparison between BE and UPV results was not conclusive regarding soil dependence on frequency. Shear module degradation obtained with the two methodologies presented an adequate agreement for the specimen with the smaller amount of cement. Shear moduli obtained with BE were slightly larger than those obtained with internal measurements. Also, BE results interpretation in the time domain for cemented specimens, especially in the triaxial tests, was difficult to perform, reinforcing the need to combine different interpretation methods when BE are used.

A rigidez a pequenas deformações e sua respectiva degradação são informações cruciais para se determinar parâmetros de projeto mais precisos. Apesar de sua importância, estas propriedades não são usualmente investigadas. Assim, o objetivo do presente trabalho foi de estudar a degradação da rigidez da areia de Osório artificialmente cimentada por meio de diferentes métodos de laboratório. A escolha por um material cimentado ocorreu baseada em apelos ambientais, econômicos e técnicos. O presente estudo também objetiva desenvolver e validar um sistema de Bender Elements (BE), que forneça resultados confiáveis na avaliação da degradação do solo. Pares de BE foram construídos para serem utilizados em testes de bancada e ensaios triaxiais. Além disso, um amplificador de sinal, assim como scripts foram desenvolvidos especialmente para a interpretação dos dados no domínio do tempo. O aumento da rigidez durante o processo de cura foi avaliado por meio da velocidade de onda cisalhante, medida pelos BE e por um equipamento de ondas ultrassônicas (UPV), sob condições de pressão atmosférica. Ensaios de degradação da rigidez, por sua vez, foram conduzidos em uma câmara triaxial especialmente modificada para a instalação dos BE Após sete dias de cura atmosférica, os corpos-de-prova foram cisalhados no equipamento triaxial modificado enquanto mudanças de rigidez eram obtidas por meio de testes de BE e instrumentação interna. Os resultados demonstraram que o sistema BE desenvolvido foi bem sucedido na avaliação da rigidez do solo estudado. A comparação entre os resultados do BE e UPV não foi conclusiva no que se refere à dependência do solo à frequência. A degradação do módulo obtida por ambas as metodologias apresentou uma adequada concordância para o corpo-deprova com menor quantidade de cimento. Módulos obtidos por BE foram pouco maiores que os obtidos por medidas internas. Ainda, a interpretação no domínio do tempo dos resultados de BE para corpos-de-prova cimentados, especialmente durante ensaios triaxiais, foi difícil de ser executada, reforçando a necessidade de se combinar diferentes métodos de interpretação quando BE forem utilizados.