Effects of lateral constraints and inertia on stress wave propagation in dry soil columns
Authors: Goh S. H. , Lee F. H. , Tan T. S. 
Published: October 2009

The effects of lateral constraints and inertia on the response of dry soil columns are still unclear. Thus the significance of these two factors was analysed using a dynamic finite-element program CRISDYN, which was adapted from an existing static program CRISP. The modified Cam-clay model was adopted, as it was felt that this model would capture the salient behaviour of dry soil under dynamic compression. First, predictions obtained using the program were compared with existing experimental data obtained from a fully constrained soil column. There was good agreement between the two sets of results, with both showing ‘shocking-up’ of the wavefront. When the lateral constraints were removed, there was a reduction in the peak stress compared with that in the fully constrained column, with the soil failing in shear. The development of radial strains was found to lag behind that of axial strains, suggesting the existence of lateral inertia effects in an unconstrained soil column. When a wider unconstrained soil column was used, the predicted response lies between that of the fully constrained and unconstrained narrow soil columns, indicating that the lateral inertia effect is more significant in a wider column. When elastic lateral restraints were imposed, the response of the soil column underwent a gradual transition from that of the fully constrained column to that of the unconstrained column as the stiffness of the restraints was reduced. Finally, the influence of the loading rate was studied. It was found that, as the loading rate increases, the response of the unconstrained soil column approaches that of the fully constrained soil column. Although the soil model adopted here does not incorporate any strain-rate effects, the response of the soil column as a whole still depends on the loading rate, due to the mechanism of lateral inertia. Thus observations on soil column experiments which hitherto have been attributed to strain-rate effects could in fact be the result of lateral inertia. Dans cet exposé, nous étudions les effete des contraintes latérales et de l'inertie sur la réponse de colonnes de sol sec, car la signification de ces deux facteurs n'est pas encore triès claire. Nous avons effectué des analyses en utilisant un programme dynamique ďé1éments finis CRISDYN qui est une version adaptée du programme statique CRISP. Nous avons adopté la maquette modifiée Cam-clay car nous estimons qu'elle est capable de saisir le comportement caractéristique du sol sec sous compression dynamique. Dans un premier temps, nous avons comparé les prédictions t1rées du programme aux données expérimentales existantes, venant de la colonne de sol entièrement contrainte. Nous avons obtenu un bon accord entre les deux résultats, tons deux montrant une bonne répercussion du front d'onde. Quand les contraintes latérales disparaissent, on constate une réduction de la sollicitation maximum par rapport agrave; la colonne entièrement contrainte, le sol montrant une déficience au cisaillement. On voit aussi que les contraintes radiales solvent avec un retard le développement des contraintes axiales, cc qui suggère ľexistence ďeffets d'inertie latéraux dans une colonne de sol non contrainte. Quand une colonne non contrainte plus large est utilisée, la réponse prédite se situe entre celle des colonnes étroites entièrement contraintes et non contraintes, cc qui indique que Peffet d'inertie latéral est plus significatif dans une colonne plus large. Quand des forces contraignantes é1astiques latérales sont imposées, la réponse de la colonne de sol subit une transition graduelle, passant de colonne entièrement contrainte à celle de colonne non contrainte à mesure que la rigidité des forces contraignantes baisse. Enfin, nous avons étudié ľinfluence de la vitesse de chargement, montrant que lorsque la vitesse de chargement augmente, la réponse de la colonne non contrainte se rapproche de celle de la colonne entiérement contrainte. Bien que le mod-ée de sol adopté n'incorpore pas d'effets contrainte-vitesse, la réponse de la colonne dans sa totalité reste tributaire de la vitesse de chargement, à cause du mécanisme d'inertie lat6rale. Ainsi les faits observ6s lors des exp6riences sur des colonnes de sol, qui jusqu'alors avaient été attribués aux effets contrainte-vitesse, pourraient êitre le résultat de Pinertie latérale.