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Other titre : Development of a new piezoelectric pulse testing device and soil characterization using shear waves

dc.contributor.advisorLefebvre, Guyfr
dc.contributor.authorGamal El-Dean, Deyabfr
dc.date.accessioned2014-09-09T18:17:15Z
dc.date.available2014-09-09T18:17:15Z
dc.date.created2007fr
dc.date.issued2007fr
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11143/5796
dc.description.abstractThe shear-wave velocity (Vs ) is a fundamental parameter that correlates well to soil properties, and is important in many applications. Hence, there is an increasing interest in using shear-wave velocity to define soil state (void ratio, effective stresses, density, liquefaction potential, etc).The global idea of this research is to establish correlations between shear wave velocity and the basic soil parameters that can be used to evaluate soil properties and estimate its strength and deformation characteristics. These relationships will also allow the interpretation of in situ geophysical measurements in terms of the design parameters of soil.The needed reliable correlations should be based on accurate measurements. In this research, it has been proven that the bender-elements method, which is widely used to measure shear wave velocity of soil in laboratory setups, suffers from fundamental and interpretative problems. Consequently, its results are controversial and might give highly erroneous values. After thorough numerical and laboratory investigations, a new piezoelectric pulse testing device (Ring Actuators Setup) was invented and developed in this research. This setup is composed of two units (emitter and receiver) and is capable of measuring shear and compression wave velocities of soil specimens. It is a completely new, versatile, advanced and accurate setup. With this device, many problems of pulse tests, which make interpretation of results difficult and ambiguous, were solved.The ring actuators setup overcomes wave reflections at boundaries (end-caps and sides), sample disturbance, weak shear coupling between soil and device (interaction) as well as the fixation problems, low resonant frequency and limited input voltage of the existing device.The development stages of this device were also useful in reaching important findings for building robust setups. This device was implemented in the top cap and pedestal of a large oedometer cell. This setup was also used with Proctor mold as well as other fabricated molds. Many pulse tests were carried out on different soil types using this device. Shear and compression wave velocities could be accurately measured at dry and partially saturated conditions under very low to high pressures.The compaction curves, in terms of Vs and water content, were drawn for two soil types using the new device. In addition, some correlations between Vs and soil parameters were obtained. Numerical simulations and analytical studies were also carried out in this research in order to study the characteristics of elastic waves transmission through soil specimens in different laboratory setups.The bender-elements and the ring actuators models were studied.The interpretation problems of pulse tests were thoroughly investigated numerically and experimentally. In this research, the reason of 'near-field effect' in pulse tests, which causes significant errors in the interpretation process, could be discovered.The parameters that control this phenomenon could be stated and their effects on the test results were quantified. In light of these results, a new criterion for carrying out and interpreting pulse tests was established. Also, a simple interpretation method is introduced (Energy Rise-Time). Furthermore, the dispersive nature of pulse tests was proven numerically and experimentally. Moreover, it was concluded that the shear wave velocity from pulse tests should be interpreted in the frequency domain, which renders 'the simple methods of interpretation' inaccurate. Based on these findings, a new interpretation technique for pulse tests using Wigner-Ville transform was presented. It was successfully used to interpret the numerical and physical pulse test results in this study.The last part of this research concerns soil characterization using shear wave velocity. Establishing correlations between Vs and soil parameters that can be used for soil characterization may be achieved in laboratory using piezoelectric devices, as mentioned above, or by deriving relationships between Vs and in situ test indices. In this research, the second approach was also examined for gravelly sands. Results of the comprehensive field testing program for the natural soil and the embankment materials (fill) at Péribonka dam site were used to achieve this goal. Thorough interpretations and analyses were carried out for these tests in order to derive correlations between each of CPTu and SPT indices and the in-situ Vs -measurements. Several important relationships and conclusions for soil characterization using shear waves could be reached. These correlations are useful for soil characterization not only at this site, but at other sites of similar soil composition.fr
dc.description.abstractLa vitesse de l’onde de cisaillement (Vs) est un parametre fondamental qui correspond bien aux proprietes de sol, et est important dans beaucoup d'applications. Par consequent, il y a un interet croissant a Lemploi de la vitesse de l’onde de cisaillement pour definir l'etat de sol (indice des vides, les contraintes effectives, la densite, le potentiel de liquefaction, etc). L'idee globale de cette recherche est d'etablir des correlations entre la vitesse de l’onde de cisaillement et les parametres de base de sol qui peuvent etre employes pour evaluer les proprietes du sol et estimer ses caracteristiques de resistance et de deformation. Ces rapports pennettront egalement d ’interpreter des mesures geophysiques in situ en termes de parametres de conception de sol. Les correlations fiables necessaires devraient etre basees sur des mesures precises. Dans cette recherche, on a prouve que la methode des languettes piezoceramiques (bender-elements), largement repandue pour mesurer la vitesse de l ’onde de cisaillement du sol dans des installations de laboratoire, souffre de problemes fondamentaux et interpretatifs. En consequence, ses resultats sont controverses et pourraient donner des valeurs fortement incorrectes. Apres des investigations numeriques et experimentales poussees, un nouveau dispositif piezoelectrique, installation des actuateurs d'anneau (Ring Actuators Setup), pour effectuez les essais d ’impulsion a ete invente et developpe dans cette recherche. Cette installation se compose de deux unites (emetteur et recepteur) et est capable de mesurer des vitesses de l’onde de cisaillement (Vs) et de compression ( Vp) des specimens de sol. C’est une installation completement nouvelle, souple, avancee et precise. Avec ce dispositif, plusieurs problemes d'essais d'impulsion, qui rendent l'interpretation des resultats difficile et ambigue, ont ete resolus. L’installation de Ring Actuators surmonte les reflexions de l’onde aux frontieres (les extremites et les cotes), la perturbation d'echantillon, la faible interaction de cisaillement entre le sol et le dispositif ainsi que les problemes de fixation, la basse frequence de resonance et la tension d'entree limitee du dispositif existant. Les etapes de developpement de ce dispositif sont egalement etaient utiles en obtenant des resultats importants afin de construire des installations robustes. Ce dispositif a ete mis en application dans le cap et le piedestal d'une grande cellule d'oedometre. Cette installation a ete egalement employee avec le moule de Proctor comme d'autres moules fabriques. Beaucoup d'essais d'impulsion ont ete effectues sur differents types de sol a l'aide de ce dispositif. Des vitesses de l’onde de cisaillement et de compression ont pu etre exactement mesurees a des conditions seches et partiellement saturees, sous de tres basses ou hautes pressions. Les courbes de compactage, en termes de Vs et la teneur en eau, ont été dessinées pour deux types de sol à l'aide du nouveau dispositif. En plus, quelques corrélations entre Vs et les paramètres de sol ont été obtenus. Des simulations numériques et des études analytiques ont également été effectuées dans mes travaux de recherche afin d'étudier les caractéristiques de la transmission de l'onde élastique à travers des spécimens de sol dans différentes installations de laboratoire. Des modèles des languettes piézocéramiques et des actuateurs d'anneau ont été étudiés. Les problèmes d'interprétation des essais d'impulsion ont été étudiés à fond, numériquement et expérimentalement. Dans cette recherche, les raisons du champ proche (near-field effects) en essais d'impulsion, qui causent des erreurs importantes dans le procédé d'interprétation, pourraient être découvertes. Les paramètres qui commandent ce phénomène pourraient être énoncés et leurs effets sur les résultats d'essai ont été mesurés. À la lumière de ces résultats, un nouveau critère pour effectuer et interpréter des essais d'impulsion a été établi. En outre, une méthode simple d'interprétation est présentée (temps de montée d'énergie). De plus, la nature dispersive des essais d'impulsion a été prouvée numériquement et expérimentalement. D'ailleurs, on a conclu que la vitesse de vague de cisaillement des essais d'impulsion devrait être interprétée dans le domaine de fréquence, qui rend les méthodes simples d'interprétation imprécises. Basée sur ces résultats, une nouvelle technique d'interprétation pour des essais d'impulsion employant Wigner-Ville Transforme a été présentée. Elle a été utilisée avec succès pour interpréter les résultats d'essai physiques et numériques d'impulsion. La dernière partie de cette recherche concerne la caractérisation de sol en utilisant la vitesse de l'onde de cisaillement. L'établissement des corrélations entre Vs et les paramètres de sol, qui peuvent être employés pour la caractérisation de sol, peut être réalisé dans le laboratoire à l'aide de dispositifs piézoélectriques, comme mentionné ci-dessus, ou par dérivation des relations entre Vs et les paramètres d'essai in situ. Dans cette recherche, la deuxième approche a été également examinée pour les sables graveleux. Des résultats du programme complet d'essai sur le terrain, pour le sol naturel et les matériaux de barrage à l'emplacement du barrage de Péribonka, ont été employés pour réaliser ce but. Les interprétations et les analyses complètes ont été effectuées pour ces essais afin de dériver des corrélations entre chacune d'indice de CPTu et de SPT et des mesures de Vs in situ. Plusieurs relations et conclusions importantes pour la caractérisation du sol par les ondes de cisaillement ont pu être tirées. Ces corrélations sont utiles pour la caractérisation de sol non seulement à cet emplacement mais aux autres emplacements de composition de sol semblable.
dc.language.isoengfr
dc.publisherUniversité de Sherbrookefr
dc.rights© Deyab Gamal El-Deanfr
dc.titleDéveloppement d'un nouveau dispositif piézoélectrique d'essai d'impulsion et caractérisation des sols avec les ondes de cisaillementfr
dc.title.alternativeDevelopment of a new piezoelectric pulse testing device and soil characterization using shear wavesfr
dc.typeThèsefr
tme.degree.disciplineGénie civilfr
tme.degree.grantorFaculté de géniefr
tme.degree.levelDoctoratfr
tme.degree.namePh.D.fr


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