Hydro-mechanical coupling and strain localization in saturated
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Hydro-mechanical coupling and strain localization in saturated
Laboratoire 3S Sols, Solides, Structures Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR Géomatériaux, Déformation et Rupture Géomécanique Localization in Saturated Porous Media with Hydro-Mechanical Coupling Jacques Desrues, Laboratoire 3S, Grenoble (France) Frédéric Collin, Geomac department, ULG Liège (Belgium) A work performed in collaboration during a stay of J. Desrues in ULg. 17th ALERT School – Coupled multi-physics processes in Geomechanics Aussois - October 13th-15th Outline a a brief introduction to the phenomenon: experimental observations of strain localization a the undrained case : what is different a HM coupled numerical analysis of drained, undrained and partially drained biaxial tests in sand Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Strain Localisation ? What does it look like ? Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Want to see more ? a you can find this video and a number of other documents on the Web page : http://l3sphnum.hmg.inpg.fr/hps1/etagere.html including articles, thesis, reports, videos, experimental data a Or send me an email to get the address Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Field observations a evidence of a localized shear structure at a 100 m scale (el centro earthquake, california) Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Field observations (earthquake, Turkey) Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Conjugate shear bands in perlite (Melos island, Greece) Photography I. Vardoulakis Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Localized deformation in rocks a localized decohesion of the rock layers at small scale, organized in a band (kink band) Photo J Desrues, Barlock creek near Baltimore (Ireland) Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture … another triaxial test In this test, a shorter specimen is used, in conjunction with careful lubrication of the ends, in order to improve the homogeneity of the deformation process: Localization is still the final deformation mode. Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS 100 mm Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Localisation is observed in the field … but also in Laboratory tests axisymmetric triaxial compression test on a sand specimen (Hostun RF sand) 200 mm overall axial strain 15 % evidence of a shear plane Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Next … Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture … in clay specimens Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Strain localization in a 2D granular material Scheeneli’s material retaining wall (model) Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Strain localization in a model material The shear plane is in fact a shear band Deformation at failure is localized: evidence of a « shear plane » Next… Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture noir Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS P Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Experimental Setup : Biaxial Apparatus Biaxial Apparatus 3S Lab Grenoble France Desrues J., Viggiani G. (2004) Strain localization in sand: an overview of the experimental results obtained in Grenoble using stereophotogrammetry, Int. J. Num. Anal. Meth. Geom. vol.28 No 4, pp 279-321 Desrues J.Laboratoire (1984) La localisation de la déformation dans les milieux granulaires, Thèse DE (Docteur d'état), Université de Grenoble (USMG-INPG) (in french) 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Localisation in Biaxial test on Sand : Observation : - Multiple SB - Non zero thickness - Large strain in the SB - « reflexion » on the top platten Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Localisation and Stress peak Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Localization and stress peak 1-2 2-3 Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS 3-4 4-5 5-6 Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Localized volumetric strain Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Undrained Biaxial Test Mokni M., Desrues J. (1999) Strain localisation measurements in undrained plane-strain biaxial tests on Hostun RF sand, Mechanics of cohesive-frictional materials vol.4 , pp. 419-41 Roger V., Desrues J., Viggiani G. (1998) Experiments on strain Localisation in dense sand under isochoric conditions, in: Localisation and Bifurcation Theory for Soils and Rocks, Oka F. Ed., Balkema, pp. 239-248 Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Questions : a a a a Does localisation exist in undrained tests ? Is it different from drained tests ? (What is different ?) What are the governing parameters ? Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Questions : a a a a Does localisation exist in undrained tests ? Is it different from drained tests ? (What is different ?) What are the governing parameters ? Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Localization in an undrained test dilatant specimen Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Localization in an undrained test contractant specimen Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Results a Does localisation exist in undrained tests ? Yes, in both dilatant and contractant specimens a Is it different from drained tests ? a (What is different ?) a What are the governing parameters ? Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Results a Does localisation exist in undrained tests ? Yes, in both dilatant and contractant specimens a Is it different from drained tests ? a (What is different ?) a What are the governing parameters ? Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture drained vs undrained localization s'1 --s'3 8 shfnd02 - Undrained BiaxialTest shf40 - Drained Biaxial Test sig'3 ini = 100kPa 7 900 U (kPa) pore pressure 700 S'3 effective confining pressure 6 500 5 4 300 3 100 2 -100 1 0 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 -300 0,14 epsa Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Results a Does localisation exist in undrained tests ? Yes, in both dilatant and contractant specimens a Is it different from drained tests ? Yes ! a What is different ? a What are the governing parameters ? Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Results a Does localisation exist in undrained tests ? Yes, in both dilatant and contractant specimens a Is it different from drained tests ? Yes ! a What is different ? a What are the governing parameters ? Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Results a Does localisation exist in undrained tests ? Yes, in both dilatant and contractant specimens a Is it different from drained tests ? Yes ! a What is different ? first evidence: it may be delayed considerably in terms of critical strain a What are the governing parameters ? Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture cavitation in the pore fluid U (kPa) R Cavitation pressure at 20°C εaxiale (%) εaxiale (%) U0=100, 300, 600, 900 kPa ; σ ’ 3 = 100 kPa Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Outline a a brief introduction to the phenomenon: experimental observations of strain localization a the undrained case : what is different a HM coupled numerical analysis of drained, undrained and partially drained biaxial tests in sand Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Objectives : to study the response of the Localization criterion in the context of hydromechanical coupling : Localisation criterion : constitutive models can provide a prediction of the onset of strain localisation using a theoretical approach socalled shear band analysis which leads to a bifurcation criterion, solely based on the local behaviour of the material `Comparison with experimental finding that in undrained dilating material, localization can be precluded by pore pressure depletion; `Comparison between the bifurcation prediction (local criterion) and the “spontaneous” response of the numerical model; Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Studied case : Modeling biaxial tests on saturated Hostun RF S28 sand, with or without geometrical imperfections, with a special attention to Strain Localisation Different cases : a Drained – Undrained, a Rate effect – permeability effect a Special tests : injection Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Theoretical &Numerical tools used : aLarge strain, fully coupled, Finite Element formulation implemented in LAGAMINE FEM Code ( Geomac, ULg) aHypoplastic Constitutive model CLoE aNon Linear Shear Band analysis for hypoplastic models : bifurcation criterion Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture CLoE : a Hypoplastic Model developped with special attention to localisation studies C consistance LoE Localisation Explicite ∇ limit surface general stress state axisymmetric stress state Out-of-axis shear moduli Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Explicit Bifurcation Criterion for CLoE Shear Band Equations : G G 1 0 F = F + g⊗n G G n .σ 1 = n .σ 0 σ = f ( F ) • Incrementally Linear (ized) case : G G det( n . L. n ) = 0 • General case : G G G G 0 n . f ( F + g ⊗ n ) = n . f ( F 0 ) • CLoE : C = Pil−1blk nk n j + Pjl−1blk nk ni − 2 = 0 Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Drained vs Undrained behavior of porous media a Drained behavior means that no pore pressure is generated in the medium due to the deformation process, because the pore fluid is able to flow with respect to the skeleton. Volumetric strain is possible. Permeable boundaries, and slow process are necessary. a Undrained behavior means that pore pressure is generated because the pore fluid cannot flow with respect to the skeleton to accommodate the deformation process. The deformation is isochoric (no volume change). This can result from different situations : ` impermeable boundaries of the domain (e.g. laboratory test specimen) ` very rapid loading process (e.g. earthquakes) ` very low permeability (clays, argiliceous rocks) Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Drained vs Undrained behavior of porous media In Undrained situations, one can distinguish between Globally undrained and Locally undrained In GU situations, relative drainage can appear between zones of the domain… for example, between shear bands and blocks in our case; (Vardoulakis, 1991) Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Drained vs Undrained behavior of porous media In Undrained situations, one can distinguish between Globally undrained and Locally undrained In GU situations, relative drainage can appear between zones of the domain… for example, between shear bands and blocks in our case; In LU situations, no relative drainage can take place, volumetric strain is zero in every point in the domain. Pore pressure field will become heterogeneous if shear banding tends to start. Local reinforcement/weakening can be expected. But this may be vanishing with time, due to delayed relative drainage (diffusion). This process can be unsafe. Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Biaxial test modeling : Perfect / Imperfect Next… Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture HM Coupling & Localization 9Comparison Meca Only – HM drained 9Comparison Open Drainage Slow – Fast – Very Fast 9Close Drainage Slow – Fast 9Delayed Drainage 9Injection Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture HM Coupling & Localization 9Comparison Meca Only – HM drained 9Comparison Open Drainage Slow – Fast – Very Fast 9Close Drainage Slow – Fast 9Delayed Drainage 9Injection Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture 2,185 2,37 2,5 2.0 2.5 Numerical tests : Calcul MécaPur compression, imparfait, pesant (c1) Meca Only ( = dry) versus HM saturated + Open Drainage + Slow (with / without geometrical imperfections) CLoE law, dense RF-S28 sand (all computations) Bifurcation : Starts first in a few elements, in the vicinity of the notches …then extends to almost all the elements at axial strain about 2,5 in both MO and HM case; Numerical “spontaneous” localization develops in the same way in both tests; In the HM case, on can see the flow of the fluid toward the (dilating) shear bands . Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Calcul couplé, compression, imparfait, Non pesant, drainage ouvert, lent (c7) Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Comparison axial Load- Strain Bifurcation MO & HM DO slow, both perfect MO & HM DO slow, both perfect : loc everywhere at [2.23;2.3]; consistent with local integration : bif. at 2.24 Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture HM Coupling & Localization Comparison Meca Only – HM drained Hydro Mechanical coupling ok in the drained limit Localization criterion in effective stress ok Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture HM Coupling & Localization 9Comparison Meca Only – HM drained 9Comparison Open Drainage Slow – Fast – Very Fast 9Close Drainage Slow – Fast 9Delayed Drainage 9Injection Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture HM Coupling & Localization aComparison Meca Only – HM drained aComparison Open Drainage Slow : 1,2 mm/min … Fast : x 1000 Very Fast : x 1000 000 0,012 min-1 12 min-1 12 000 min-1 (soit 1,2 km/min !) Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture 1,5 2.0 1,65 1,7 2,5 2.5 rapide lent Calcul couplé, compression, imparfait, Non pesant, drainage ouvert, rapide (c8) OD slow vs OD fast : • bifurcation : more or less the same, starts somewhat later in the fast but generalizes at 2.5 in both cases • no numerical « spontaneous » localization in the fast test, contrary to in the slow test • Fluid flow is organized differentlyDéformation in the two tests; Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, et Rupture Calcul couplé, compression, imparfait, Non pesant, drainage ouvert, lent (c7) Comparison axial Load- Strain Bifurcation OD, fast Bifurcation OD, slow & MO Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture HM Coupling & Localization a Comparison Meca Only – HM drained a Comparison Open Drainage Slow : 1,2 mm/min … Fast : x 1000 Very Fast : x 1000 000 (i.e.1,2 km/min !) 0,012 min-1 12 min-1 12 000 min-1 ¾ results : numerical « spontaneous » localization does not develop (already the case for “fast” test), ¾ bifurcation is detected in a few elements in the corners of the specimen, ¾ load-strain curve shows that ¾ i) first, it departs completely from the drained tests … ¾ ii) then, the axial load starts increasing very fast … ¾ iii) but it coincides with the undrained test response (Closed Drainage) Next… Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture HM Coupling & Localization Drainage & Rate effect Hydro Mechanical coupling ok in the undrained limit : indeed, open drainage with very high rate is equivalent to closed drainage. Localization criterion in effective stress ok in the undrained limit : the experimental observation that localization will NOT take place in an undrained test is properly predicted by the theoretical & numerical tools implemented. Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture HM Coupling & Localization 9Comparison Meca Only – HM drained 9Comparison Open Drainage Slow – Fast – Very Fast 9Closed Drainage Slow – Fast 9Delayed Drainage 9Injection Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture 1.7 3.0 Closed Drainage : Slow vs fast CD, perfect vs imperfect geometry : no bifurcation predicted, no numerical localisation observed… Fast Closed Drainage : some perturbations can Calcul couplé, compression, imparfait, Non pesant, be observed, drainage fermé, lent (c9) but not Pas de bifurcation détectée. localized. Example : fluid flow in the specimen (idem slow case) Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Fast case Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture HM Coupling & Localization 9Comparison Meca Only – HM drained 9Comparison Open Drainage Slow – Fast – Very Fast 9Close Drainage Slow – Fast 9Delayed Drainage 9Injection 9Conclusion Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture HM Coupling & Localization 9Comparison Meca Only – HM drained 9Comparison Open Drainage Slow – Fast – Very Fast 9Close Drainage Slow – Fast 9Delayed Drainage 9Injection Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Very Fast OD (no imperfections) followed by relaxation with drainage. Loading phase : NO numerical “spontaneous” localisation ; theoretical bifurcation limited to corners Drainage phase: No much evolution toward localization : deformation remains limited and constrained everywhere; Stresses decreases, strain heterogeneities tend to smooth out. Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture 0.0004 0.00042 0.0005 0.0008 0.002 0.01 Pi : [-140,+100 kPa] Pi : [+70,+100 kPa] Pi: [-600,+100 kPa] Pi: [-600,+100 kPa] Pi: [-590,+100 kPa] Pi : [-530,+100 kPa] Pi : [-390,+100 kPa] Sig moyenne effective sig’m [-1600, -300 kPa] Q barre [0.8 , 1] Epsdev [0.05 , 0.1] Sig moyenne effective sig’m [auto] C16 bis : DO rapide + relaxation avec drainage (relaxation) Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Conclusions aHM coupled analysis in LAGAMINE with CLoE is ok aShear band bifurcation analysis with CLoE in LAGAMINE …. ok aThese tools are effective in predicting experimental observation in both drained, undrained and partially drained situations. Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Thank You ! Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Geometrical imperfections : Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture Comparison axial Load- Strain : fast Open Dr fast & Closed Dr : … identical Laboratoire 3S Université de Grenoble - CNRS Équipe GDR : Géomatériaux, Déformation et Rupture