Modelling the responses of Athabasca oil sand in triaxial compression tests at low pressure

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Abstract

Experimental data from drained triaxial compression tests on Athabasca oil sand at low confining pressures ranging from 50 to 750 kPa are presented. The tested specimens exhibited severe strain-softening with significant dilation but did not approach the critical state entirely by the end of the tests due to the formation of localized shear zones. A homogeneous deformational response in which the entire specimen would reach to the critical state was derived from the experimental response and the critical state parameters. A constitutive model is established to simulate both the experimental and homogeneous deformational responses of Athabasca oil sand. The model is based on describing the evolution of internal microstructural changes with shear loading through a scalar disturbance function. The deformational response of the material is expressed in terms of the responses of its reference states, namely the virgin and fully disturbed states, through the scalar disturbance function. The virgin state of the material is modelled by a generalized single surface plasticity model, whereas the fully disturbed state is assumed to be the critical state. The parameters required to define the model were identified and evaluated. Comparisons between the predicted results and experimental data were made for model performance evaluation.

L'on présente les données expérimentales d'essais de compression triaxiale drainée sur le sable bitumineux d'Athabaska à des pressions de confinement variant de 50 à 750 kPa. Les spécimens d'essais ont montré un antiécrouissage important avec une dilatation significative, mais ils ne se sont pas approchés complètement de l'état critique à la fin des essais à cause de la formation de zones de cisaillement localisées. Une réponse en déformation homogène dans laquelle tout le spécimen atteindrait l'état critique a été déduite de la réponse expérimentale et des paramètres d'état critique. Un modèle de comportement a été établi pour simuler les réponses tant expérimentales qu'à déformation homogène du sable bitumineux d'Athabaska. Le modèle est basé sur la description de l'évolution des changements de la microstructure interne avec le chargement en cisaillement au moyen d'une fonction scalaire de perturbations. La réponse en déformation du matériau est exprimée en termes des réponses de ses états de référence, nommément l'état vierge et l'état complètement remanié, au moyen de la fonction scalaire de perturbations. L'état vierge du matériau est modélisé par un modèle de plasticité généralisé à surface unique, alors que l'on suppose que l'état complètement remanié est l'état critique. Les paramètres requis pour définir le modèle ont été identifiés et évalués. Des comparaisons entre les résultats prédits et les résultats expérimentaux ont été faits pour l'évaluation de la performance.

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