Hypoplastic constitutive models for frozen soil

• Main Author: Xu, Guofang
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2014
• Subjects: Dauerfrostboden; Plastizität; Rheologie; Druckbeanspruchung; Modellierung; Permafrostböden; Hypoplastizität; Geschwindigkeitsabhängig Stoffmodell; rheologische Bodeneigenschaft; Frozen soil; Hypoplasticity; Constitutive Model; Rate-dependence; Rheological property; permafrost
• Online Access: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubbw:1-16813

Die Modellierung von Permafrost-Böden liefert wichtige Beiträge für die Bodenmechanik und die Bauwerke in Permafrostregionen. In dieser Arbeit werden drei Stoffmodelle im Rahmen der Hypoplastizitätstheorie für gefrorene Böden präsentiert. Das erste Modell, „Extended Hypoplastic Constitutive Model“ genannt, wurde, basierend auf dem Modell von Wu (1992), durch Erweiterung um einen temperaturabhängigen Kohäsionstensor sowie eine verformungsabhängige Skalarfunktion entwickelt. Die Güte dieses Stoffmodells wurde durch die Simulation von dreiaxialen Kompressionsversuchen bei unterschiedlichen Temperaturen und Seitendrücken demonstriert. Dieses Modell ist unabhängig von Geschwindigkeit und kann das viskose Verhalten der Permafrost-Böden nicht beschreiben. Aus diesem Grunde wurde ein zweites Modell entwickelt. Es wird als „Visco-Hypoplastic Constitutive Model“ bezeichnet. Dieses viskose Modell wurde durch die Aufteilung der Spannung und ihre Rate in einen statischen und einen dynamischen Teil dargestellt. Für die statische Spannungsrate wird ein einfaches Stoffgesetz zugrundegelegt, während für die dynamische Spannung ein Stoffgesetz mit höheren Gradienten der Dehnungsrate verwendet wird. Die Gültigkeit dieses viskosen Modells wurde durch Simulation von Kompressionsversuchen mit unterschiedlichen Belastungsgeschwindigkeiten, sowie Simulation von mehreren Kriechversuchen gezeigt. Das dritte Modell, als „Hypoplastic Creep Model“ bezeichnet, wurde speziell für die Simulation der rheologischen Eigenschaften von Permafrost-Böden entwickelt. Anhand von Druck-Kriechversuchen konnte gezeigt werden, dass dieses Modell ebenso zur Beschreibung des Kriechverhaltens von Permafrost-Böden, wie z.B. der Zeit bis zum Kriechversagen und der minimalen Kriechrate im sekundären Kriechen, geeignet ist. Außerdem kann auch die Spannungsrelaxation von Permafrost-Böden in diesem Modell bestimmt werden. Constitutive modeling for frozen soil is an important topic for the mechanics of frozen soils and for construction activities in permafrost regions. This study, with the help of hypoplasticity theory, presents three constitutive models for frozen soils. The first model, called extended hypoplastic constitutive model, is obtained by introducing a temperature-dependent cohesion tensor and a deformation-related scalar function into the pioneer model developed by Wu (1992). Then by simulating some triaxial compression tests at different temperatures and confining pressures, the extended model is shown to have a good ability in describing the strength behavior and volumetric change of frozen soil. However, this model is rate-independent and thus cannot account for the loading rate effect and rheological properties of frozen soil. In view of this, the second model, named as visco-hypoplastic constitutive model, is then developed. This viscous model is obtained by dividing the stress rate into a statical and a dynamical part, which are represented by the extended model and a high order model with respect to strain, respectively. Then the versatility of this viscous model is verified by simulating some compression tests at different loading rates and creep tests at different stress levels. The third model, termed hypoplastic creep model, is developed especially for the rheological properties of frozen soil. By simulating some compression creep tests, this creep model is also shown to be capable of describing the creep behaviors of frozen soil, e.g. the time to creep failure and the minimum creep rate in the secondary creep stage. Besides, the relaxation of creep strength of frozen soil can also be described by this creep model. submitted by Guofang Xu Zsfassung in dt. Sprache Wien, Univ. für Bodenkultur, Diss., 2014 OeBB (VLID)1930466