The shear wave velocity is related with the stiffness of granular skeleton and mass density. The shear stiffness of the granular skeleton remains unaffected by the presence of the fluid. Bender elements are convenient shear wave transducers for instrumenting soil cells due to optimal soil-transducer coupling. This study addresses the principles of the shear wave, the design and implementation of bender elements including electromagnetic coupling prevention, directivity, resonant frequency, detection of first arrival, and near field effects. It is shown that electromagnetic coupling effects can be minimized using parallel-type bender elements. Thus, the in-plane S-wave directivity is quasi-circular. The resonant frequency of bender element installations depends on the geometry of the bender element, the anchor efficiency and the soil stiffness. One of the most cumbersome parts in the bender element test is near field effects, which affect the selection of arrival time. The selection of the first arrival within the near field Is effectively solved by the multiple reflection technique and signal matching technique. Bender elements, which requires several considerations, may be effective tools for the subsurface characterization by using S-wave.
Kim Dong-Soo;Youn Jun-Ung;Lee Sei-Hyun;Choo Yun-Wook
Journal of the Korean Geotechnical Society
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v.21
no.10
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pp.17-25
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2005
The bender element method is an experimental technique to determine very small strain ($<10^{-3}\%$), elastic shear modulus of a soil, $G_{max}$ by measuring the velocity of shear wave propagation through a sample. Bender elements have been applied as versatile transducers to measure small strain modulus of wet or dry soils in various laboratory apparatus. In this paper, bender element (BE), resonant column (RC) and torsional shear (TS) tests were performed on Toyoura sand at various testing conditions using the modified Stokoe type RC/TS testing equipment capable of performing BE test. Based on the results, applicabilities of the testing method using bender element were evaluated by comparing the values of $G_{max}$ obtained from RC/TS and BE testing methods. For more dependable evaluation, the loading frequency of each testing method was considered for the results obtained for samples in saturated condition by adapting Biot's theory.
Ko, Young Joo;Jung, Young Hoon;Lee, Choong Hyun;Chung, Choong Ki
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.3C
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pp.159-166
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2008
The stress-strain behavior of soils can usually be regarded as non-linear, while it is also known that the soil exhibits the linear-elastic behavior at pre-failure state (very small strain range, $<10^{-3}%$). This study aims to analyze the variation of anisotropic elastic shear moduli of granular soils in various stress conditions. The stress probe experiments with the triaxial testing device equipped with local strain gages and multi-directional bender elements were conducted. When the stress ratio exceeds the range between -0.5 and 1.5, the elastic shear stiffness in the axial direction deviates from the empirical correlation with current stresses, which indicates that the yielding of soils alters the internal pathway through which the elastic shear wave propagates. The experimental results show that the variation of elastic shear moduli in the horizontal direction closely relates to the volume change of soils.
Jung, Jae Woo;Oh, Sang Hoon;Kim, Hak Sung;Mok, Young Jin
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.2C
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pp.125-131
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2008
Ground stiffness(shear wave velocity) is one of the key parameters in geotechnical earthquake engineering. An In-situ seismic technique has its own advantages and disadvantages over the others in stiffness measurements. By combining the crosshole and seismic cone techniques and utilizing favourable features of bender elements, a new hybrid probe has been developed in order to enhance data quality and easiness of testing. The basic structure of the probe, called "MudFork" is a fork composed of two blades, on each of which source and receiver bender elements were mounted respectively. To evaluate the disturbance caused by the penetration of the probe, shear wave velocity measurements were carried out in the Kaolinite slurry in the laboratory. Finally, the probe was penetrated in coastal mud near Incheon, Korea, using SPT(standard penetration test)rods pushed with a routine boring machine and shear wave velocity measurements were carried out. The results were verified with data from laboratory and cone testing. The performance of the probe turns out to be excellent in terms of data quality and testing convenience.
The scope of this paper covers the applications of bender element tests in consolidation, tomography, and liquefaction. Loading and unloading time during consolidation are evaluated based on shear wave velocity. As S-wave velocity is dependent on effective stress, the loading step may be determined. However, cautions are required due to the different mechanism between the settlement and effective stress criteria. The stress history may be evaluated because the S-wave shows the cement controlled regime and stress controlled regimes. A fixed frame complemented with bender elements permits S-wave tomography The tomography system is tested at low confinement within a true triaxial cell. Results show that shear wave velocity tomography permits monitoring changes in the velocity field which is related to the average effective stress. To monitor the liquefaction phenomenon, S-wave trans-illumination is implemented with a high repetition rate to provide detailed information on the evolution of shear stiffness during liquefaction. The evolution of shear wave propagation velocity and attenuation parallel the time-history of excess pore pressure during liquefaction. Applications discussed in this paper show that bender elements can be a very effective tool for the detection of shear waves in the laboratory.
The ultrasonic waves for monitoring concrete materials have been used to investigate the setting and hardening process of concrete. This paper presents the application of bender elements for monitoring the hardening properties of Controlled Low Strength Material (CLSM) and the characterization of shear waves in CLSM according to curing time. To ensure the early age properties and flow, the CLSM consists of CSA cement, sand, silt, water, fly ash, and accelerator. In addition, three different type specimens according to fine contents are mixed. A couple of bender elements are installed at the wall of measurement cell and the CLSM specimen are prepared at the measurement cell for 28 days. Experimental results show that the resonant frequency and shear wave velocities increase with an increase in the curing time, regardless of the fine contents. Up to ten hours, the amplitudes of shear waves also increase, and the resonant frequency and shear wave velocities at the same time increase as the fine contents increase. The shear wave measurement technique using the bender elements may be effectively used to evaluate the hardening properties of CLSM along the curing time.
A new hybrid oedometer cell is designed and manufactured to investigate a behavior of soft soils by using elastic and electromagnetic waves during consolidation test. Bender elements, which generate and detect shear waves, are placed in the top cap and the bottom plate and mounted on the oedometer wall. Double wedge type electrical resistance probe, which measures local void ratio change, is positioned onto the top cap of the oedometer cell. The bender elements and the electrical resistance probe are anchored into a nylon set screw with epoxy resin. The nylon set screw with epoxy resin minimizes directly transmited elastic waves through the oedometer cell due to impedence mismatch and allows for easy replacement of defected bender elements and electrical resistance probe. Primary consolidation time can be estimated from the slope of electrical resistance versus log time curve and the evolution of shear wave velocity. The shear wave velocity can be used to assess inherent anisotropy when disturbance effects are minimized because particle alignment affects the shear wave velocity. The void ratios evaluated by the electrical resistance probe are similar to those by the settlement during consolidation. This study suggests that the shear wave velocity and the electrical resistance can provide complementary imformations to understand consolidation characteristics such as primary consolidation, anisotropy, and void ratio.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.20
no.6
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pp.523-531
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2008
In hole type CPTu equipment which combines the concepts of inhole test method and piezocone test method was newly developed in order to evaluate the dynamic properties of marine soils. It is possible to perform inhole type CPTu without any additional source device because the source and receiver are contained inside the cone rod, which is different from the conventional seismic cone system. In this study, laboratory tests using kaolinite as soft soil and numerical simulations using finite element method were carried out to investigate the effects of several parameters including test methods and soil conditions on the test results from inhole type CPTu and to find out the optimum test method. It was found that it is necessary to maintain the length of swing arm as well as the distance between source and receiver consistently to obtain the rigorous test results. The laboratory test and numerical results also reveal that contrary to the input wave frequency, the water content of soil layer and the disturbance due to the installation of swing arm apparently affect the shear wave velocity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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