The orientation of shear bands in biaxial tests

Abstract

Shear band formation in planar deformation of soil samples is studied theoretically to explain the experimental finding that orientation angles depend on particle sizes. A review of such data shows that steep Coulomb-type shear bands occur in fine sands, whereas less inclined Roscoe-type shear bands are observed for coarse material. A bifurcation analysis for the onset of shear-banding appears to be non-decisive, as all orientations within the RoscoeXoulomb range are found to be admissible. The new element of this theoretical analysis is that the material outside the shear band is allowed to unload elastically. Hereafter the analysis is extended to the post-peak regime. Postpeak, the Coulomb-type sbear band appears to be the weakest failure mode with the lowest residual strength. This explains the frequent occurrence of such shear bands. However, Coulomb-type shear bands are shown to involve stress discontinuities which can hardly occur in samples of coarse sand. This explains the occurrence of Roscoe-type sbear bands as the latter do not involve stress discontinuities. La formation des bandes de cisaillement au tours de la déformation plane est examiée au point de vue théorique pour expiiquer la déouverte expérimentale que les angles d'orientation dependent des grandeurs des particules. De telles données démontrent que des bandes raides de cisaiilement type Coulomb se produisent dans les sables fins, tandis que des bandes de cisaillement moins inclinées type Roscoe sont obervées dans le cas des matieres grossiéres. Une analyse de bifurcation pour l'appariton des bandes de cisaillement parait non-déisive, car toutes les orientations dans la gamme Roscoe-Coulomb se révélent comme admissibles. Le nouvel élement dans cette analyse théorique est que la matiére P l'extérieur de la bande de cisaillement se décharger élastiquement, consuite l'analyse est prolongée jusqu'au régime suivant le pit. Après le pic la bande de cisaillement parait etre le mode le plus faible de rupture. Ceci explique l'apparition fréquente de telles bandes de cisaillement. On démontre cependant que les bandes de cisaillement type Coulomb impliquent des discontinuités de contrainte qui ne peuvent guére avoir lieu dans des échaotillons de sable grossier. Ceci explique l'existence des bandes de cisaillement type Roscoe, puisque cellesci q e comprennent aucunes discontinuites de contrainte.