A visco-hypoplastic model for normally consolidated and overconsolidated clays

Abstract

This paper develops a new time-dependent hypoplastic model for normally consolidated and overconsolidated clays. A novel viscous strain rate formulation is derived from the isotach concept and incorporated into the total strain rate of the hypoplastic framework, allowing for viscous deformation at the onset of loading. The hypoplastic flow rule is defined for the direction of the viscous strain rate and its intensity directly linked to the overconsolidation ratio (OCR) and secondary compression coefficient. The Matsuoka–Nakai criterion is further introduced into the strength parameter through the transformed stress technique, enabling the model to describe the stress–strain–time behaviour of clays in general stress space. In addition, a new scalar function is proposed and implemented into the model to consider the OCR effect on the initial stiffness. The model predictive ability is finally examined by simulating laboratory tests on three different clays with various OCRs and stress paths, demonstrating that the model can capture the rate dependency, stress relaxation, and creep behaviours for both normally consolidated and overconsolidated clays under various loading conditions. Cet article propose un nouveau modèle hypoplastique dépendant du temps pour les argiles normalement consolidées et surconsolidées. Une nouvelle formulation du taux de déformation visqueuse est dérivée du concept d'isotache et incorporée dans le taux de déformation total du cadre hypoplastique, permettant ainsi une déformation visqueuse dès le début de la charge. La règle de l'écoulement hypoplastique est définie pour la direction du taux de déformation visqueuse, et son intensité est directement liée au taux de surconsolidation (OCR) ainsi qu'au coefficient de compression secondaire. Le critère de Matsuoka-Nakai est également introduit dans le paramètre de résistance par le biais de la technique de contrainte transformée, ce qui permet au modèle de décrire le comportement contrainte-déformation-temps des argiles dans l'espace de contrainte général. En outre, une nouvelle fonction scalaire est proposée et mise en œuvre dans le modèle pour tenir compte de l'effet de la ROC sur la rigidité initiale. La capacité prédictive du modèle est finalement examinée en simulant des essais en laboratoire sur trois argiles différentes avec divers OCR et trajectoires de contrainte, démontrant que le modèle peut capturer la dépendance au taux, la relaxation des contraintes et les comportements de fluage pour les argiles normalement consolidées et surconsolidées sous diverses conditions de chargement.