The Shear Strength Characteristics of Frozen Coarse Granular Debris

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Abstract
The effect of ice content and normal load on the shear strength characteristics of a frozen coarse granular debris was investigated. 31 shear tests were carried out in a modified shearbox allowing a sample temperature of (–1.0 ± 0.2)° C and a load rate of 9.63 × 10−4 cm/min. The tests showed that as the ice content of the frozen debris was increased from 0% (under-saturated) to 25% (saturated), sample shear strength was markedly increased. In contrast, sample shear strength was reduced as ice content was increased from 25% (saturated) to 100% (supersaturated). The changes in shear strength with increasing ice content were attributed directly to changes in internal friction and the cohesive effects of the pore ice. The shear tests also indicate that shear strength increases with increasing normal load up to a critical limit. Above this limit, dilatancy is suppressed causing the shear strength to decrease or remain relatively constant with increased normal load. The stress-strain curves of the 31 tests indicated that samples with higher ice contents tended to reach peak strength (τP) with less displacement during shear. Moreover, the difference between τp and τr (residual strength) was lowest for pure polycrystalline ice and highest for ice-saturated samples. The Mohr-Coulomb failure envelopes displayed very distinctive parabolic curvilinearity. The degree of curvature is thought to be a function of ice creep at low normal loads and particle fracture and crushing at high normal loads. Résumé Les effets de la quantité de glace et de la charge normale sur les caractéristiques de limite de cisaillement de débris granuleux grossiers gelés ont été examinés. 31 tests de cisaillement ont été effectués dans une boite de cisaillement modifiée permettant une température de (–1,0 ±0,2)°C et une vitesse de déformation de 9,63 × 10−4cm/min. Les tests ont montré qu’avec la croissance de la quantité de glace dans les débris gelés de 0% (sous-saturation) à 25% (saturation), la limite de cisaillement était nettement accrue. A l’inverse, la limite de cisaillement diminuait avec l’augmentation de la quantité de glace de 25% (saturation) à 100% (sur-saturation). Les changements de la limite de cisaillement avec l’augmentation de la teneur en glace ont été attribués directement aux modification du frottement interne et aux effets sur la cohésion de la glace poreuse. Les essais de cisaillement indiquent aussi qu’avec l’augmentation de la charge normale la limite de cisaillement est portée à une limite critique. Au-delà de cette limite la dilatation durant le cisaillement est supprimée ce qui entraîne une diminution ou un maintien relativement constant de la limite de cisaillement quand la charge normale croit. Les courbes contraintes-déformation des 31 tests indiquent que les échantillons de plus grandes teneurs en glace tendent à atteindre un pic de résistance (τp) avec un moindre taux de déformation. De plus, la différence entre τP et τr (effort résidual) était minimum pour de la glace polycristalline pure et maximum pour les échantillons saturés en glace. Les enveloppes de rupture de Mohr-Coulomb montraient de très distinctes lignes courbes paraboliques. On pense que le degré de courbure doit être une fonction des fractures et écrasements des particules aux charges normales élevées. Zusammenfassung Die Wirkung von Eisgehalt une Normal-Last auf die Charakteristiken der Scherfestigkeit eines gefrorenen grobkörnigen Schuttes wurde untersucht. Mit einem modifizierten Schergehäuse, das eine Probentemperaiur von (–1,0 ± 0,2)°C und eine Belastungsrate von 9,63 × 10−4cm pro min zulässt, wurden 31 Scherversuche vorgenommen. Die Versuche zeigten, dass mit einer Zunahme des Eisgehaltes in dem gefrorenen Schutt von 0% (ungesättigt) auf 25% (gesättigt) die Scherfestigkeit der Probe wesentlich anstieg. Im Gegensatz dazu nahm die Scherfestigkeit ab, wenn der Eisgehalt von 25% (gesättigt) auf 100% (übersättigt) gesteigert wurde. Die Anderungen der Scherfestigkeit bei zunehmendem Eisgehalt wurden direkt der inneren Reibung und den Kohäsionswirkungen im Poreneis zugeschrieben. Die Scherversuche ergaben ausserdem, dass mit einer Zunahme der Normal-Last die Scherfestigkeit auf einen kritischen Grenzwert ansteigt. Über diesem Grenzwert wird die Ausdehnung unterdrückt, was eine Abnahme oder relative Konstanz der Scherfestigkeit bei zunehmender Normal-Last zur Folge hat. Die Spannungskurven der 31 Versuche zeigten, dass Proben mit höherem Eisgehalt dazu neigten, ihre höchste Festigkeit (τp) bei geringerer Verlagerung während der Scherung zu erreichen. Des weiteren war die Differenz zwischen τp und τr (Restfestigkeit) am niedrigsten für reines, polykristallines Eis und am höchsten für eisgesättigte Proben. Die Mohr-Coulomb’schen Bruchhüllkurven zeigten sehr unterschiedliche parabolische Krümmungslinearität. Der Grad der Krümmung wird als Funktion des Eiskriechens bei geringer Normal-Last und der Aufspaltung und Zerquetschung von Partikeln bei hoher Normal-Last angenommen.

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