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Fabric-Property Relationships in fine Granular Materials

Published online by Cambridge University Press:  01 July 2024

Arshud Mahmood  and
James K. Mitchell
Arshud Mahmood
Affiliation:
Woodward-McNeil & Associates, 2140 West Olympic Boulevard, Los Angeles, California 90006, U.S.A.
James K. Mitchell
Affiliation:
Department of Civil Engineering, University of California, Berkeley, California 94720, U.S.A.
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Abstract

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In this investigation fabric-property relationships were studied in a silty fine sand sized crushed basalt—an artificial ‘soil’ that has previously been used to simulate lunar soil. The fabric was characterized by measuring preferred orientations of grains, and pore size distribution was determined by mercury intrusion porosimetry. When deposited by pouring, the grains acquired strong preferred orientations in the horizontal direction and formed pores between 1 and 30 μm dia. Densification by static or dynamic compaction resulted in near random grain arrangement and pore sizes between 0·1 and 10 μm dia.

Strength in direct shear and one-dimensional compressibility with the associated lateral stresses were measured. The strength was up to 30 per cent higher when the sample was sheared normal to the preferred orientation of grains than when the shearing was parallel to the orientation direction. This is to be expected, as shearing across the preferentially oriented grains should involve breakage or reorientation of many grains. At a given initial void ratio the compressibility of statically compacted specimens was larger (up to 30 per cent higher axial strain) than that of dynamically compacted specimens at very low stresses. At higher stresses both samples exhibited equal compressibility, suggesting that the grains become more randomly arranged at low void ratios (comparing samples of equal initial void ratios).

Résumé

Résumé

Dans ce travail on a étudié les propriétés d’arrangement particulaire d’un basalte broyé à la dimension d’un sable fin limoneux, un “sol” artificiel qui avait été utilisé auparavant pour simuler un sol lunaire.

L’arrangement a été caracterisé en mesurant l’orientation préférentielle des grains et la distribution des pores a été déterminée par porosimétrie au mercure. Quand le dépôt est obtenu en faisant couler la poudre, les grains acquièrent de fortes orientations préférentielles dans la direction horizontale et forment des pores dont le diamètre est compris entre 1 et 30 μm. L’augmentation de densité par compaction statique ou dynamique entraîne un arrangement granulaire presque au hasard et des diamètres de pores compris entre 0,1 et 10 μm.

La contrainte principale de cisaillement et la compressiblité monodimensionnelle ont été mesurées, avec les contraintes latérales associées. Lors du cisaillement normal à l’orientation préférentielle des grains la contrainte était supérieure jusqu’à 30 pour cent à ce qu’elle était lots du cisaillement parallèle à la direction d’orientation. Ce résultat n’est pas inattendu puisque le cisaillement à travers des grains orientés préférentiellement doit entraîner une cassure ou une réorientation de nombreux d’entre eux. Pour un indice de vide initial donné, la compressibilité à faible pression d’échantillons compactés par voie statique est plus grande que celle d’échantillons compactés par voie dynamique (compactabilité axiale jusqu’à 30 pour cent supérieure). Aux pressions plus élevées les deux échantillons ont des compressibilités égales, ce qui suggère que les grains sont arrangés plus au hasard pour les indices de vide bas (la comparaison portant sur des échantillons à indice de vide initial égal).

Kurzreferat

Kurzreferat

In dieser Untersuchung wurden die Beziehungen zwischen Gefüge und Eigenschaften an einem schluffig-feinsandigen, gemahlenen Basalt untersucht—einem künstlichen ‘Boden’, der schon früher zur Simulation des Mondbodens benutzt wurde. Das Gefüge wurde durch Messung der bevorzugten Kornorientierung gekennzeichnet und die Porengrößenverteilung durch Quecksilberporosimetrie bestimmt. Wenn ihre Ablagerung durch Schütten erfolgte, nahmen die Körner eine streng bevorzugte Orientierung in horizontaler Richtung ein und bildeten Poren zwischen 1 und 30 Ém im Durchmesser. Statische oder dynamische Verdichtung führte zu einer nahezu zufälligen Kornanordnung und zu Porengrößen zwischen 0,1 und 10 Ém im Durchmesser.

Der Widerstand bei direkter Abscherung und die eindimensionale Kompressibilität mit den zugehörigen seitlichen Spannungen wurden gemessen. Der Scherwiderstand war bis zu 30 Prozent größer, wenn die Scherbeanspruchung der Probe senkrecht zur bevorzugten Orientierung der Körner erfölgte, als bei Abscherung parallel zur Orientierungsrichtung. Dies entspricht der Erwartung, da Abscherung senkrecht zu bevorzugt orientierten Körnern Bruch und Reorientierung vieler Körner beinhalten sollte. Bei einem gegebenen anfänglichen relativen Porenvolumen war die Kompressibilität statisch verfestigter Proben bei sehr geringen Drucken größBer (bis Zu 30 Prozent höhere axiale Spannung) als die dynamisch verfestigter Proben. Bei höheren Drucken wiesen beide Proben gleiche Kompressibilität auf, was darauf hindeutet, daß die Körner bei niedrigem relativem Porenvolumen eine zufälligere Anordnung erhalten (wenn Proben gleicher anfänglicher Hohlraumanteile verglichen werden).

Резюме

Резюме

В этом исследовании изучались соотношения «структура-свойства» в илистом измельченном до размера песка базальте, искусственной почве, которая прежде применялась для имитации почвы луны. Характеристика структуры определялась измерением преобладающей ориентации зёрен, а распределение размеров пор определялось ртутной интрузионной порозиметрией. При насыпании зёрна принимали строго преобладающую ориентировку в горизонтальном направлении, образуя поры диаметром от 1 до 30 μм. Статическое или динамическое уплотнение давало почти беспорядочное распределение и размеры пор были между 0,1 и 10 μм. диам. Измерялись прочность на прямой срез и одно-размерная сжимаемость со связанными с нею латеральными напряжениями. Прочность была до 30% выше, когда образец срезался нормально по преобладающей ориентировке зёрен, чем при срезке параллельно направлению ориентировки. Это и предполагалось, так как срез через зёрна преобладающей ориентировки должен был вызывать разрыв или изменение ориентировки многих зёрен; при данном исходном коэффициенте пустотности сжимаемость статически сжатых образцов была больше (до 30% выше осевого усилия), чем динамически сжатых образцов при очень низких напряжениях. При более высоких напряжениях сжимаемость обоих образцов была одинаковой; это указывало на то, что зёрна располагались более беспорядочно при низких коэффициентах пустотности (когда сравнивались образцы с одинаковыми исходными коэффициентами пустотности).

Type
Research Article
Information
Clays and Clay Minerals , Volume 22 , Issue 5-6 , December 1974 , pp. 397 - 408
Copyright
Copyright © Clay Minerals Society 1974

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