The importance of unsaturated state in various geo-engineering problems has led to the advance of mechanical constitutive model emulating behavior of unsaturated soils in response to thermo-hydro-mechanical loading. Elasto-plastic mechanical constitutive model for unsaturated soil is formulated based on Bishop's effective stress. Effective stress and temperature are main variables in constitutive equation, and incremental formulation of constitutive relationship is derived to compute stress update and stiffness tensor. Numerical simulations involving coupled THM processes are conducted to discuss numerical stability and applicability of developed constitutive model: one-dimensional test, tri-axial compression test, and clay-buffering at high level radioactive waste disposal. Numerical results demonstrated that developed model can predict very complex behavior of coupled THM phenomena and is applicable to geo-engineering problems under various environmental conditions, as well as interpret typical behavior of unsaturated soils.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2008.03a
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pp.51-58
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2008
The George Massey immersed tunnel passes the Fraser River near Vancouver, Western Canada. In this paper, dynamic analysis of the tunnel on sandy soils was performed using an effective stress constitutive model called UBCSAND. This model is able to calculate pore pressure rise and resulting tunnel deformation due to cyclic loading. Centrifuge tests conducted at RPI are used to verify the model performance. Centrifuge tests consist of 3 models: Model 1 is designed for an original ground condition, Model 2 for a ground improvement by compaction method, Model 3 for a ground improvement by gravel drainage. The results of centrifuge Model 1 are presented and compared with predictions of UBCSAND model. This model well captured the results of centrifuge test and therefore can be used to predict dynamic behavior of similar tunnels or underground structures on sandy soils.
This study is focused on the constitutive model in order to represent brittleness and dilatancy of cohesionless soils. The constitutive model was proposed on the basis of an anisotropic hardening rule with generalized isotropic hardening rule. The shape of yield surface is a simple cylinder type in stress space and it makes the model practically useful. Flow rule was approximated by a concrete function on dilatancy. A peak stress ratio was defined to model brittle stress-strain relationships. The proposed model was formulated and implemented to calculate the stress-strain relationship from triaxial tests. In the companion paper the proposed model will be verified by comparison with the triaxial test results.
A new model for describing the behavior of clay under monotonic and cyclic loading is proposed. This model uses the hyperbolic representation for the stress -strain relationship in overconsolidated state and it describes undrained effective stress path on the basis of the critical state theory. The developed constitutive model by using an energy dissipation equation can describe the behavior of clay in heavily overconsolidated state as u.ell as lightly overconsolidated state under monotonic loading. In order to extend the model for the behavior of clay under cyclic loading, a shift function of undrained stress spacing ratio is introduced in the constitutive model developed for monotonlc loading. A single additional parameter is required to represent the cyclic effect and it can be reasonably deter mined from the test results. The measured behavior in undrained cyclic triaxial tests has been easily and precisely predicted by the newly developed constitutive model.
Oscar H. Moreno-Torres;Cristhian Mendoza-Bolanos;Andres Salas-Montoya
Geomechanics and Engineering
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v.35
no.4
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pp.449-464
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2023
Advanced nonlinear effective stress constitutive models are started to be frequently used in one-dimensional (1D) and two-dimensional (2D) site response analysis for assessment of porewater generation and liquefaction potential in soft soil deposits. The emphasis of this research is on the assessment of the implementation of this category of models at the element stage. Initially, the performance of a coupled porewater pressure (PWP) and constitutive models were evaluated employing a catalogue of 40 unidirectional cyclic simple shear tests with a variety of relative densities between 35% and 80% and effective vertical stresses between 40 and 80 kPa. The authors evaluated three coupled constitutive models (PDMY02, PM4SAND and PDMY03) using cyclic direct simple shear tests and for decide input parameters used in the model, procedures are recommended. The ability of the coupled model to capture dilation as strength is valuable because the studied models reasonably capture the cyclic performance noted in the experiments and should be utilized to conduct effective stress-based 1D and 2D site response analysis. Sandy soils may become softer and liquefy during earthquakes as a result of pore-water pressure (PWP) development, which may have an impact on seismic design and site response. The tested constitutive models are mathematically coupled with a cyclic strain-based PWP generation model and can capture small-strain stiffness and large-strain shear strength. Results show that there are minor discrepancies between measured and computed excess PWP ratios, indicating that the tested constitutive models provide reasonable estimations of PWP increase during cyclic shear (ru) and the banana shape is reproduced in a proper way indicating that dilation and shear- strain behavior is well captured by the models.
This study is focused on the constitutive model in order to represent brittleness and dilatancy for cohesionless soils. The constitutive model was based on an anisotropic hardening rule derived from generalized isotropic hardening nile, which includes an appropriate hardening equation for the overall strain behavior at small to large strains. The yield surface is a simple cylinder type in stress space and it makes the model practically useful. Hence dilatancy behavior in cohesionless soils could be modeled reasonably. A peak stress ratio was defined in order to model brittle stress-strain relationships. An optimized design methodology was proposed on the basis of real-coded genetic algorithm in order to determine parameters for the proposed model systematically. The material parameters were then determined by that algorithm. In order to verify the proposed model, triaxial tests were performed under $K_0$ conditions far weathered soils. In comparison with the triaxial test results under $K_0$ conditions, the proposed model could calculate appropriately the actual effective stress behavior on brittle stress-strain relationships and dilatancy.
Proceedings of the Earthquake Engineering Society of Korea Conference
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2002.09a
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pp.91-97
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2002
Total stress analysis method and nonlinear constitutive models have been used to analyze a dynamic performance of Dams but, there is some limitation in analysis, for example, effects of build up of pore pressure and generations of permanent deformations. Therefore considering these limitations, which is mentioned before, dynamic behavior characteristics of dams and response acceleration characteristics was analyzed in time domain, applying an elasto-plastic constitutive model and effective analysis method.
Journal of The Korean Society of Agricultural Engineers
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v.53
no.3
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pp.19-26
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2011
In order to estimate the viscous effects of clay over a wide range of strain levels, we confirmed the performance of a viscoelastic-viscoplastic constitutive model by simulating cyclic undrained triaxial tests to determine the cyclic strength and deformation characteristics of natural marine clay. The viscoelastic-viscoplastic constitutive model was then incorporated into an effective stress-based seismic response analysis to estimate the effects of an intermediate clay layer on the behavior of sand layers. Seismic response was simulated by the cyclic viscoelastic-viscoplastic constitutive model created with data recorded at Rokko Island, Kobe, Japan. The results show that a cyclic viscoelastic-viscoplastic constitutive model can provide a good description of dynamic behavior including viscoelastic effects, within a small strain range.
Cristhian C. Mendoza-Bolanos;Andres Salas-Montoya;Oscar H. Moreno-Torres;Arturo I. Villegas-Andrade
Earthquakes and Structures
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v.25
no.1
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pp.27-41
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2023
This study focused on nonlinear effective stress site response analysis using two coupled constitutive models, that is, the DM model (Dafalias and Manzari 2004), which incorporated a simple plasticity sand model accounting for fabric change effects, and the PMDY03 model (Khosravifar et al. 2018), that is, a 3D model for earthquake-induced liquefaction triggering and postliquefaction response. A detailed parametric study was conducted to validate the effectiveness of nonlinear site response analysis and porewater pressure (PWP) generation through a true coupled formulation for assessing the initiation of liquefaction at ground level. The coupled models demonstrated accurate prediction of liquefaction triggering, which was in line with established empirical liquefaction triggering relations in published databases. Several limitations were identified in the evaluation of liquefaction using the cyclic stress method, despite its widespread implementation for calculating liquefaction triggering. Variations in shear stiffness, represented by changes in shear wave velocity (Vs1), exerted the most significant influence on site response. The study further indicated that substantial differences in response spectra between nonlinear total stress and nonlinear effective stress analyses primarily occurred when liquefaction was triggered or on the verge of being triggered, as shown by excess PWP ratios approaching unity. These differences diminished when liquefaction occurred towards the later stages of intense shaking. The soil response was predominantly influenced by the higher stiffness values present prior to liquefaction. A key contribution of this study was to validate the criteria used to assess the triggering of level-ground liquefaction using true coupled effective-stress constitutive models, while also confirming the reliability of numerical approximations including the PDMY03 and DM models. These models effectively captured the principal characteristics of liquefaction observed in field tests and laboratory experiments.
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2008.10a
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pp.1199-1203
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2008
It has been recognized that unsaturated soil behavior plays an importantrole in geomechanics. In the last decade several constitutive models have been proposed and used in the analysis. Many of them, however, are constructed in the frame work of rate independent model such as elasto-plastic one. Although rate dependency is an important characteristics of soil for both saturated and unsaturated soils, very few models have been developed taking account of rate dependency. In the present paper, we have developed an elasto-viscoplastic model considering an effect of suction based on the overstress-type viscoplasticity with soil structure degradation. In the model, we have adopted an averaged pore pressure composed of pore water pressure and air pressure to determine the effective stress.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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