Observed and predicted behaviour of rail ballast under monotonic loading capturing particle breakage: Fid-Bau Portal

Observed and predicted behaviour of rail ballast under monotonic loading capturing particle breakage

Buddhima Indraratna

A substantial amount of experimental evidence suggests that the critical state envelope for ballast is nonlinear, especially at low confining pressure. To study the implications of this nonlinearity and the associated role of particle breakage, monotonically loaded drained triaxial tests were conducted using a large-scale cylindrical triaxial apparatus. A nonlinear critical state envelope is determined in the q–p′ and υ–lnp′ planes. Mathematical expressions for critical state stress ratio and specific volume are proposed to incorporate the evolution of particle breakage during monotonic shearing. In this paper, an elastoplastic constitutive model based on the critical state soil mechanics framework is presented to capture the salient aspects of stress–strain behaviour and degradation of ballast. Constitutive parameters were conveniently determined from large-scale laboratory tests. The model is able to predict the monotonic shear behaviour of ballast corroborating with the laboratory measurements. The proposed model is further validated using experimental results available from past independent studies.

Une quantité substantielle d’évidences expérimentales suggère que l’enveloppe d’état critique pour un ballast n’est pas linéaire, particulièrement à faible pression de confinement. Afin d’étudier les implications de cette non linéarité et le rôle associé du bris des particules, des essais triaxiaux drainés et chargés monotoniquement ont été réalisés à l’aide de l’appareil triaxial cylindrique à grande échelle. Une enveloppe d’état critique non linéaire est déterminée dans les plans q–p′ et υ–lnp′. Des expressions mathématiques du ratio de contrainte à l’état critique et du volume spécifique sont proposées pour incorporer l’évolution du bris des particules durant le cisaillement monotonique. Dans cet article, un modèle constitutif élastoplastique basé sur l’approche de mécanique des sols à l’état critique est présenté afin de représenter les faits saillants du comportement en contrainte–déformation et de la dégradation du ballast. Les paramètres constitutifs ont été déterminés de façon convenable grâce à des essais de laboratoire à grande échelle. Le modèle est capable de prédire le comportement en cisaillement monotonique de ballast tel qu’observé en laboratoire. Le modèle proposé est ensuite validé à l’aide de résultats expérimentaux disponibles provenant d’études antérieures indépendantes. [Traduit par la Rédaction]