Assessment on Time Determination of Bender Element Test: Insights from FEM Simulations and Laboratory Methodology

Abstract

Den initielle skjærmodulen, G0, er en viktig parameter i det geotekniske ingeniørfeltet, spesielt for å kunne forutsi jordens oppførsel under dynamisk og sykliske laster. Denne modulen er assosiert med tøyninger mindre enn 10^−5, et nivå der jord har en lineær elastisk oppførsel. Dette er nivået for tøyninger hvor Bender Element test apparatet operer. Ved å fastslå reisedistansen og reisetiden av S-bølgene, kan S-bølgehastigheten benyttes til å estimere og utlede den initielle skjærmodulen. Et fundamentalt problem ved Bender Element testing ligger i metodene for å bestemme reisetiden, som er veldig ømfintlige til tolkning. Denne masteroppgaven har som mål å identifisere faktorer som bidrar til varierende tolkninger av reisetiden.

Denne masteroppgaven involverer både laboratorietester og en rekke av numeriske simuleringer for å studere faktorer som påvirker bestemmelse av reisetid ved Bender Element testing. Bender Element testene ble utført i et triaksial apparat på tre forskjellige prøver, med hjelp av NGI. Resultatene ble brukt til å validere modellene som ble laget med Element Metode programvaren, Plaxis 3D. Et script ble utviklet for å automatisere disse simuleringene på tvers av ulike senarioer, noe som åpner for undersøkelse av isolerte parametereffekter. Parametere som frekvens, Poissons tall og S-bølgehastighet ble vurdert, samt variasjoner i mesh fordeling og tilstedeværelsen av en vanncelle rundt prøvene.

Resultatene ved simulering avslører at Bender Element testene er sensitive for parameter endringer. Den dynamiske moduluen er sterkt påvirket av mesh fordelingen, som påvirker graden av støy, men minimalt påvirker S-bølgehastigheten. Klare forskjeller i målt respons var observert om modellen var inkludert eller ekskludert en vanncelle. Frekvensvariasjoner hadde liten effekt på den målte S-bølgehastigheten. Parameteren med den største innflytelsen på resultatene var S-bølgehastigheten, som forventet, men bekrefter påliteligheten til den utviklede modellen.

Klare avvik i S-bølgehastighet ble observert ved sammenligning av en spesifikk tidsbestemmelsesmetode. Sammenligning av resultater mellom laboratorietester og simuleringer med Plaxis 3D, ga generelt resultater som underestimerte skjærmodulen. Disse avvikene understreker behovet for videre forskning på å lage en presis prosedyre for å kunne nøyaktig fastslå den initielle skjærmodulen av jordprøver, ved bruk av Bender Element testing.

The initial shear modulus, G0, is a important parameter in geotechnical engineering, particularly for predicting soil behaviour under dynamic and cyclic loads. This modulus is associated with strains less than 10^−5, a range where soil exhibits linear elastic behaviour. This is the level of strains which The Bender Element test apparatus operates at. By determining the distance of travel and travel time of S-waves, the S-wave velocity can be used to estimate and derive the initial shear modulus. A fundamental issue of Bender Element testing lies in the methods of determining the travel time, which is highly susceptible to interpretation. This thesis aims to identify the factors contributing to the interpretive variability in travel time determination.

This thesis involves both laboratory tests and a series of numerical simulations to study factors affecting travel time determination in Bender Element testing. The Bender Element tests were conducted in a triaxial apparatus on three different soil samples, with the help of NGI. The results were used to validate models created using the Finite Element Method software, Plaxis 3D. A script was developed to automate these simulations across various scenarios, allowing for the examination of isolated parameter effects. Parameters such as frequency, Poisson’s ratio, and S-wave velocity were studied, alongside variations in mesh distribution and the presence of a water cell around the sample.

The simulation results reveals that Bender Element tests are sensitive to parameter changes. The dynamic module is highly influenced by mesh distribution, affecting measurement noise, but minimally impacting S-wave velocity. Significant variations in measurement responses were observed when models included or excluded a water cell. Frequency variations had slight effect on measured S-wave velocity. The parameter with the greatest impact on results was the S-wave velocity, as expected, confirming the reliability of the developed model.

Significant deviations in S-wave velocity were observed when comparing a specific time determination method. Comparing results between laboratory tests and simulations using Plaxis 3D, generally resulted in an underestimation of shear stiffness. These deviations underscore the need for further research to develop precise procedures for accurately determining the initial shear modulus of soil specimens, using the Bender Element test.