Finite element analysis of the direct shear box test

Abstract

The direct shear box test is often criticized for the non-uniformity of the stress and strain applied to the sample. However, the conditions within the sample have received little study. The stress state in an ideal shear box in which strains are uniform is that of simple shear. This is considered first, to provide a reference state with which the analyses of the direct shear box can be compared. The effects of the non-uniformities of stress introduced by the rigid ends of a direct shear box 60 mm long by 20 mm deep are then examined, using the finite element method. The soil is modelled using an elasto-plastic constitutive law, and the influences of volume change, initial stress and strain softening are examined. In each case comparison is made with the same material loaded in simple shear. The stress–strain behaviour in simple shear is found to be dependent on the volume change characteristics and the initial stress, as well as on the shear stress–strain properties of the soil. The predicted average behaviour of non-strain-softening soil in the direct shear box is very similar to that of ideal simple shear. Analyses in which strain softening is simulated indicate that the effect of progressive failure is slight, despite the non-uniform strains which exist pre failure. The analyses thus show that the non-uniformities within the direct shear box sample have little effect, and with surprisingly little error the test may be interpreted as if it were a simple shear test. On a souvent objecté que la contrainte et la déformation appliquées à l'échantillon dans la boÎte de cisaillement manquent d'uniformité, mais les conditions existant dans l'echantillon n'ont été que très peu étudiées. Dans une boÎte de cisaillement idéale, dans laquelle les contraintes sont uniformes, l'état de contrainte est celui du cisaillement simple. On considère cet état tout d'abord, afin d'obtenir un état de référence avec lequel les résultats de la boÎte de cisaillement peuvent être comparées. Puis on examine les effets du manque d'uniformité causé par les extremités rigides d'une boÎte de cisaillement ayant une longueur de 60 mm et une profondeur de 20 mm, en employant la méthode des éléments finis. On modelise le sol à l'aide d'une loi elastoplastique et on examine les influences d'un changement de volume, de la contrainte initiale et du ramollissement du sol. On fait une comparaison avec la même matière soumise à un cisaillement simple. Le comportement contrainte–déformation dépend des caractéristiques du changement de volume et de la contrainte initiale aussi bien que des propriétés contrainte–déformation de cisaillemeot du sol. Le comportement moyen prédit du sol sans ramollissement de contrainte est très similaire à celui du cisaillement simple idéal. Des analyses au cours desquelles le ramollissement de la contrainte était simulé indiquent que la rupture progressive n'a que très peu d'effet, malgré le manque d'uniformité dans les déformations qui existent avant la rupture. Ces analyses montrent que le manque d'uniformite. de l'échantillon dans la boÎte de cisaillement a peu d'importance et qu'on peut interpréter l'essai comme si c'était un essai de cisaillement simple.