Shear zones in granular material

Summary

Shear Zones in Granular Materials. An Experimental Study of Their Structure and Mechanical Genesis

A special ring-shear apparatus was designed to study in granular materials under continued shearing the development of shear zones and the accompanying changes in texture and stress state.

Various series of experiments were run with densely packed, cohesionless materials in both dry and fluid-saturated states. For comparison, in a few tests also moderately cohesive materials were used. Materials and vertical load were chosen to either allow or suppress shear dilatancy, the latter case being characterised by severe grain crushing (cataclasis) in the shear zone proper. While growth and texture of dilating and non-dilating shear zones differ quite systematically, the build-up of stresses is quite similar in both cases, in particular with respect to the peak in shear stress.

In many experiments stress measurements were carried out inside the granular pack, mainly by inserting small photoelastic cylinders, to establish the orientation of the maximum compressive stress in the vicinity of the shear band. The results leave little doubt that the shear bands produced between rigid platens are bounded by planes of maximum shear stress rather than by Coulomb-type slip planes. Inside a shear band, however, Coulomb slips are operative in deforming the softened shear zone material. This may be concluded from the regularly observed sets of oblique minor slips (“Riedels”) and discrete gliding planes.

Zusammenfassung

Scherzonen in körnigen Stoffen. Eine experimentelle Studie ihrer Strukturen und mechanischen Entstehung

Ein Ringschergerät wurde eigens entwickelt, um bei hinreichend langem Schervorgang die Entwicklung von Scherzonen in körnigem Material sowie die zugehörigen Struktur- und Spannungsänderungen studieren zu können.

Verschiedene Versuchsreihen wurden mit dicht gepackten, nicht-kohäsiven Stoffen durchgeführt, sowohl in trockenem Zustand als auch gesättigt mit Flüssigkeit. Zum Vergleich wurde in einigen Versuchen auch mäßig verfestigtes, körniges Material verwendet. Geeignete Wahl von Material und vertikaler Belastung erlaubte es, Scherdilatanz zuzulassen oder zu unterdrücken; im letzteren Falle mit starker Kornzertrümmerung innerhalb der eigentlichen Scherzone („Bruchfließen”). Während sich dilatierende und nicht dilatierende Scherzonen hinsichtlich Wachstum und Struktur systematisch unterschieden, war der Spannungsaufbau in beiden Fällen ähnlich. Dies gilt im besonderen für die Schubspannungsspitze („peak stress“).

In vielen Experimenten wurden Spannungsmessungen innerhalb der Körnerpackung ausgeführt, und zwar hauptsächlich mittels eingelegter photoelastischer Zylinderchen, um die Richtung der größten Druckspannung in Nähe der Scherzone zu ermitteln. Die Ergebnisse lassen wenig Zweifel, daß die zwischen starren Platten erzeugten Scherbänder von Ebenen größter Schubspannung begrenzt sind und nicht von Coulombschen Gleitebenen. Im Inneren der Scherbänder sind allerdings Coulombsche Gleitflächen an der Verformung des entfesteten Materials maßgeblich beteiligt, wie die regelmäßig wahrgenommenen, gestaffelten Sekundärgleitflächen („Riedel“-Gleitflächen) und Gleitebenen zeigen.

Résumé

Zones de cisaillement en milieu granulaire. Etude expérimentale de leur structure et du mécanisme de genèse

On a conçu un dispositif annulaire spécial pour étudier le développement des zones de cisaillement en milieu granulaire, sous l'effet d'un effort de cisaillement continu ainsi que des modifications qui en résultent aussi bien dans la texture du milieu étudié que dans l'état de contrainte.

Plusieurs séries d'expériences ont été effectuées sur un matériau fortement comprimé et denué de cohésion, tour à tour sec ou saturé de fluide. Dans un but de comparaison, on a aussi utilisé dans quelques cas, un matériau légèrement consolidé. Matériau et charge verticale furent choisis en sorte que l'effet de dilatation dû au cisaillement existe ou non: en l'absence de dilatation on a un important broyage des grains (cataclase) au sein de la zone de cisaillement. Alors que le développement et la texture des zones de cisaillement en dilatation ou sans dilatation présentent des différences systématiques, le développement des contraintes est très semblable dans les deux cas, en particulier en ce qui concerne la résistance au pic.

Dans de nombreuses expériences, des mesures de contraintes furent faites à l'intérieur du milieu granulaire, par insertion de cylindres photoélastiques afin d'établir l'orientation de l'effort principal de compression, au voisinage de la zone de cisaillement. Les résultats laissent peu de doute sur le fait que la bande de cisaillement, entre les plaques rigides du dispositif est limitée par des plans de contrainte de cisaillement maximum et non par des plans de glissement du type des plans de Coulomb. Cependant, à l'intérieur d'une bande de cisaillement, des plans de glissement du type de Coulomb contribuent essentiellement à la deformation du matériau affaibli de la bande. On est amené à cette conclusion par l'observation systématique de familles de glissements obliques secondaires (“Riedels”) et de plans de glissements individualisés parallèles au cisaillement principal.