Measurement of small-strain shear modulus Gmax of dry and saturated sands by bender element, resonant column, and torsional shear tests

摘要

The bender element method is an experimental technique used to determine the small-strain shear modulus (Gmax) of a soil by measuring the velocity of shear wave propagation through a sample. Bender elements have been applied as versatile transducers to measure the Gmax of wet and dry soils in various laboratory apparatuses. However, certain aspects of the bender element method have yet to be clearly specified because of uncertainties in determining travel time. In this paper, the bender element (BE), resonant column (RC), and torsional shear (TS) tests were performed on the same specimens using the modified Stokoe-type RC and TS testing equipment. Two clean sands, Toyoura and silica sands, were tested at various densities and mean effective stresses under dry and saturated conditions. Based on the test results, methods of determining travel time in BE tests were evaluated by comparing the results of RC, TS, and BE tests. Also, methods to evaluate Gmax of saturated sands from the shear-wave velocity (Vs) obtained by RC and BE tests were investigated by comparing the three sets of test results. Biot's theory on frequency dependence of shear-wave velocity was adopted to consider dispersion of a shear wave in saturated conditions. The results of this study suggest that the total mass density, which is commonly used to convert Gmax from the measured Vs in saturated soils, should not be used to convert Vs to Gmax when the frequency of excitation is 10% greater than the characteristic frequency (fc) of the soil.%La méthode des éléments piézocéramiques est une technique expérimentale utilisée pour déterminer le module de cisaillement (Gmax) à petites déformations d'un sol en mesurant la vélocité de la propagation des ondes de cisaillement à travers un échantillon. Les éléments piézocéramiques ont été utilisés comme des capteurs versatiles pour mesurer le module de cisaillement à petites déformations des sols mouillés ou secs dans divers appareils de laboratoire. Cependant, certains aspects de la méthode de l'élément piézocéramique ont encore à être clairement spécifiés à cause des incertitudes dans la détermination de la vitesse. Dans cet article, des essais à l'élément piézocéramique «BE », à la colonne de résonnance «RC » et de cisaillement en torsion «TS» ont été réalisés sur les mêmes spécimens en utilisant l'équipement d'essai de type Stokoe modifié RC- TS. Deux sables propres, Toyoura et sable de silice, ont été testés à diverses densités et contraintes effectives moyennes dans des conditions sèches et saturées. En partant des résultats des essais, les méthodes pour déterminer les vitesses dans les essais BE ont été évaluées en comparant les résultats des essais RC, TS et BE. Aussi, des méthodes pour évaluer Gmax des sables saturés en partant de la vélocité (Vs) des ondes de cisaillement obtenue par les essais RC et RE ont été étudiées en comparant les trois ensembles de résultats d'essais. La théorie de Biot traitant de la dépendance de la vitesse de l'onde de cisaillement sur la fréquence a été adoptée afin de considérer la dispersion d'une onde de cisaillement dans des conditions saturées. Les résultats de cette étude suggèrent que la densité de masse totale, qui est communément utilisée pour convertir Gmax à partir de Vs mesurée dans les sols saturés, ne devrait pas être utilisée pour convertir Vs en Gmax lorsque la fréquence d'excitation est de 10 % plus grande que la fréquence caractéristique fc du sol.