The Effect of Confining Pressure on the Mechanical Properties of Sand–Ice Materials

Abstract

Cylindrical samples containing 0.59 mm to 0.84 mm diameter silica sand at about 97% and 55% ice saturation (the ratio of ice volume to sand pore volume) were tested at a temperature of −12° C in triaxial compression. Both constant axial strain-rate tests and step-stress creep tests provide information on the influence of confining pressure on the shear strength and creep behavior of the sand–ice material. Changes in the degree of ice saturation help show the influence of the ice matrix versus the sand material on the mechanical behavior. Data are discussed in terms of the Mohr–Coulomb failure law and creep theories. It is shown that the cohesive component of strength depends on response of the ice matrix, whereas the frictional component of strength responds in a manner very similar to unfrozen sand tested at high confining pressures. Experimental data show that creep rates decrease exponentially and creep strength increases with an increase in confining pressure. Des échantillons cylindriques contenant un sable siliceux de 0,59 à 0,84 mm de diamètre a environ 97% et 55% de saturation en glace, ont été essayés à une température de 12° C en compression triaxiale. Les essais à vitesse de déformation axiale constante comme ceux montrant le fluage sous contrainte croissante procurent des informations sur l’influence de la pression ambiante sur la résistance au cisaillement et sur le comportement au fluage du mélange sable–glace. Les changements dans le degré de saturation en glace montreront, espère-t-on, les influences respectives de la matrice de glace et du matériel sableux dans le comportement mécanique. Les résultats sont discutés à partir de la loi de rupture de Mohr-Coulomb et des théories du fluage. On montre que la composante de cohésion de la résistance dépend de la réponse de la matrice de glace, tandis que la composante de friction de cette résistance répond de manière très analogue à celle d’un sable non gelé sous fortes pressions. Les données expérimentales montrent que les vitesses de fluage décroissent exponentiellement, et la résistance au fluage croît lorsque s’accroît la pression ambiante. Zusammenfassung Zylindrische Proben von Si-Sanden mit Korngrössen von 0,59 mm–0,84 mm und Eissättigungen von ungefähr 97% und 55% wurden bei einer Temperatur von −12° C unter dreiachsigem Druck untersucht. Sowohl die Versuche mit konstanter axialer Belastung als auch die Kriechtests mit schrittweiser Spannungsänderung liefern Informationen über den Einfluss des allseitigen Druckes auf den Scherwiderstand und das Kriechverhalten des Sand-Eis-Gemisches. Mit Hilfe von Veränderungen des Grades der Eissättigung kann der Einfluss der Eismatrix gegenüber dem sandigen Material auf das mechanische Verhalten gezeigt werden. Die Ergebnisse werden aus der Sicht des Mohr-Coulomb’schen Bruchgesetzes und der Theorien des Kriechens diskutiert. Es wird nachgewiesen, dass die Kohäsionskomponente der Festigkeit von der Reaktion der Eismatrix abhängt, während die Reibungskomponente der Festigkeit sich sehr ähnlich wie bei nichtgefrorenem Sand verhält, der hohen allseitigen Drücken ausgesetzt ist. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass mit anwachsendem allseitigen Druck die Kriechgeschwindigkeit exponentiell abnimmt und die Kriechfestigkeit zunimmt.