Energy dissipation in inelastic flow of saturated cohesionless granular media
Authors: Okada N. , Nemat-nasser S. 
Published: October 2009

The results of a study of energy dissipation in cohesionless granular media are presented. The relation between the excess pore water pressure, accumulated in a water-saturated granular mass, and the corresponding external work in undrained cyclic loading is studied experimentally, under displacement-controlled conditions. A micro-mechanical model of internal energy dissipation due to slip between contacting granules is introduced, and the results are compared with experimental measurements. The specimens are subjected to two sequences of loading with an intermediate reconsolidation to simulate reliquefaction. External work per unit volume is calculated from the experimental results, and its correlation with the excess pore water pressure is examined. In the first loading, a unique non-linear relation exists between the excess pore water pressure and the external work per unit volume which is independent of the shear strain amplitude. In the second loading this relation is a function of strain amplitude. Based on a micromechanical model, it is shown that the internal dissipation per unit volume in cohesionless granular media can be expressed in terms of the time history of the applied effective pressure and a single scalar parameter which depends on the density and strain amplitude. The model is further validated by torsion tests with random variation in the applied strain amplitude, and excellent agreement with the experimental results is obtained.

L'article présente les résultats obtenus au cours d'une étude sur la dissipation de l'énergie dans des milieux granulaires pulvérulents. La relation existant entre l'excès de pression interstitielle d'eau, accumulé dans une masse granulaire saturée, et le travail extérieur associé apparaissant au cours de cycles de chargement non-drainés, à déplacement contrôlé, est étudiée expérimentalement. Une modélisation micromécanique de la dissipation d'énergie interne liée au glissement entre grains jointifs, est proposée. Les résultats obtenus à l'aide de ce modèle sont comparés aux mesures expérimentales. Les échantillons sont soumis à deux cycles de chargement, séparés par une reconsolidation permettant de simuler la reliquéfaction. Le travail extérieur, par unité de volume, est calculé à partir des résultats expérimentaux. La corrélation pouvant exister avec l'excès de pression interstitielle est étudiée. Lors du premier chargement, il n'existe qu'une seule relation entre l'excès de pression interstitielle et le travail extérieur, cette relation étant indépendante de l'amplitude de la déformation au cisaillement. Lors du second chargement, cette relation devient dépendante de l'amplitude de cette déformation. U apparaît, à partir du micromodèle, que la dissipation interne, par unité de volume d'un milieu granulaire pulvérulent, peut s'exprimer en fonction de l'historique de la pression effective appliquée et d'un paramètre scalaire unique dépendant de la densité et de l'amplitude de la déformation. Le modèle est ensuite validé à l'aide d'essais de torsion, pour des variations aléatoires de l'amplitude de déformation. La correspondance avec les résultats expérimentaux est excellente.