An elasto-plastic critical state framework for unsaturated soil

Abstract

Data from a series of controlled suction triaxial tests on samples of compacted speswhite kaolin were used in the development of an elasto–plastic critical state framework for unsaturated soil. The framework is defined in terms of four state variables: mean net stress, deviator stress, suction and specific volume. Included within the proposed framework are an isotropic normal compression hyperline, a critical state hyperline and a state boundary hypersurface. For states that lie inside the state boundary hypersurface the soil behaviour is assumed to be elastic, with movement over the state boundary hypersurface corresponding to expansion of a yield surface in stress space. The pattern of swelling and collapse observed during wetting, the elastic–plastic compression behaviour during isotropic loading and the increase of shear strength with suction were all related to the shape of the yield surface and the hardening law defined by the form of the state boundary. By assuming that constant–suction cross–sections of the yield surface were elliptical it was possible to predict test paths for different types of triaxial shear test that showed good agreement with observed behaviour. The development of shear strain was also predicted with reasonable success, by assuming an associated flow rule. Les données obtenues dans une série d'essais triaxiaux à succion contrôlée sur des échantillons de kaolin speswhite compactés ont servi au développement d'un modèle élastoplastique à l'état critique pour les sols non saturés. Ce Modèle est défini par quatre variables d'état: la contrainte moyenne, le déviateur des contraintes, la succion et le volume spécifique. II inclue les hyperlignes des compressions normales isotropes et des états critiques et l'hypersurface d'état. Pour les états situés dans l'hypersurface d'état, le comportement du sol est supposé élastique. Tout déplacement au dessus de cette surface correspond à une expansion de la surface limite dans l'espace des contraintes. Les gonflements et effondrements observés lors de l'humidification, le comportement élastoplastique en compression lors des chargements isotropes et l'augmentation de la résistance au cisaillement avec la succion, ont tous ét&acute corrélés avec la forme de la surface limite ainsi qu'avec la loi de consolidation défine par la forme de la surface d'état. Si l'on suppose que les intersections succion constante–surface limite sont elliptiques, il est possible de calculer, pour différents types d'essais de cisaillement triaxiaux, des chemins qui se révèlent en bon accord avec les comportements observés. En choisissant une loi d'écoulement appropriée, le développement des déformations en cisaillement a également été prédit de manière fiable.