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An Incremental Formulation of Constitutive Equations for Deposited Snow

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

J. Desrues
Affiliation:
Centre d’Étude de la Neige, Institut de Mécanique de Grenoble, B.P. 53, 38041 Grenoble Cédex, France
F. Darve
Affiliation:
Centre d’Étude de la Neige, Institut de Mécanique de Grenoble, B.P. 53, 38041 Grenoble Cédex, France
E. Flavigny
Affiliation:
Centre d’Étude de la Neige, Institut de Mécanique de Grenoble, B.P. 53, 38041 Grenoble Cédex, France
J.P. Navarre
Affiliation:
Centre d’Étude de la Neige, Institut de Mécanique de Grenoble, B.P. 53, 38041 Grenoble Cédex, France
A. Taillefer
Affiliation:
Centre d’Étude de la Neige, Institut de Mécanique de Grenoble, B.P. 53, 38041 Grenoble Cédex, France
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Abstract

The behaviour of a snow mass under natural loadings (gravity forces, boundary conditions) can be computed by the finite-element method, in so far as a convenient formulation of the stress–strain relationship for snow is available. This paper deals with such a formulation given in incremental form.

Experiments have been performed, which show that deposited snow can be considered as a non-linear visco-elastic material with memory effect. The proposed theoretical formulation takes into account these properties. The elastic part of the deformation is assumed to be isotropic and non-linear; the viscous part is expressed in terms of a creep-rate, which results from a superposition of elementary creep-rates according to Boltzmann’s principle.

The values of parameters can be obtained from isotropic creep experiments. The experimental data and the resulting parameters are reported.

Since the parameters were determined, the formulation of the rheological law was then tested by integration on “stress–strain paths" corresponding to other experiments of a different type, performed on the same snow. The experiments are triaxial tests at constant axial strain-rate, with a preliminary stage of isotropic compression. Experimental data are compared to theoretical curves obtained by integration of the rheological law. The calculated behaviour is consistent with the experimental results.

Résumé

Résumé

Le comportement d’un massif de neige, soumis aux sollicitations naturelles (poids propre, conditions aux limites) peut trouver un cadre d’étude favorable dans la méthode des éléments finis dans la mesure où l’on dispose d’une formulation satistaisante de la loi rhéologique de la neige (caractérisation de son comportement mécanique). Cet article présente une telle formulation, écrite sous la forme incrémentale.

Les expériences effectuées montrent que le comportement de la neige peut être caractérisé comme viscoélastique non-linéaire avec effet de mémoire. Situant leur étude dans ce cadre, les auteurs présentent la formulation théorique qu’ils proposent pour une neige déposée. La partie élastique de la déformation est isotrope non-linéaire; la partie visqueuse est exprimée à partir de la vitesse de fluage, explicitée à l’aide du principe de superposition de Boltzmann.

Les paramètres mécaniques, intervenant dans la formulation, peuvent être calculés à partir d’essais de fluage isotrope sous un et plusieurs paliers de contrainte isotrope. Les résultats de ces essais sont donnés ainsi que les valeurs des paramétres pour la neige testée.

Les paramétres ayant été ainsi déterminés, la loi rhéologique peut alors être vérifiée par intégration sur des chemins de sollicitation correspondant à d’autres types d’essais, réalisés sur la même neige. Les essais de vérification réalisés sont constitués par des écrasements triaxiaux à vitesse constante, précédés d’une phase de fluage isotrope. Les mesures expérimentales sont données et la comparison avec les courbes théoriques, fourmes par l’intégration de la loi rhéologique incrémentale, est présentée. L’analyse de cette comparaison permet de conclure à la bonne validité de la loi proposée.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Das Verhalten einer schneemasse unter natürlicher Belastung (Schwerkraft, Randbedingungen) kann nach der Methode der Finiten Elemente berechnet werden, sofern eine passende Formulierung der Beziehung zwischen Spannung und Verformung für Schnee verfügbar ist. Diese Arbeit behandelt eine solche Formulierung mit Hilfe von Inkrementen.

Aus Versuchen hat sich ergeben, dass abgelagerter Schnee als ein nichtlineares visko-elastisches Material mit Erinnerungseffekt betrachtet werden kann. Die vorgeschlagene theoretische Fassung berücksichtigt diese Eigenschaften. Der elastische Teil der Verformung wird als isotrop und nicht-linear angenommen; der viskose Teil wird als eine Kriechgeschwindigkeit dargestellt, die sich aus der Überlagerung elementarer Kriechvorgänge gemäss dem Prinzip von Boltzmann ergibt.

Die Parameter können aus isotropen Kriechversuchen gewonnen werden. Die Versuchsdaten und die daraus hervorgehenden Parameter werden mitgeteilt.

Nach der Bestimmung der Parameter wurde die Formulierung des rheologischen Gesetzes durch Integration über “Spannungs–Verformungs-Wege” geprüft, ähnlich wie bei anderen Versuchen verschiedenen Typs mit demselben Schnee. Es handelt sich um drei-achsiale Versuche mit konstanter Verformungsrate aus einem vorhergehenden Zustand der isotropen Kompression. Die Versuchsergebnisse werden mit theoretischen Kurven verglichen, die sich aus der Integration des rheologischen Gesetzes ergaben. Das berechnete Verhalten stimmt gut mit den Versuchsergebnissen überein.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1980
Figure 0

Fig. 1. Isotropic creep, σi = 5 kPa.

Figure 1

Fig. 2. Isotropic creep, σi = 13kPa.

Figure 2

Fig. 3. Isotropic creep, σi increasing by stages: 5, 13, 33, 60 kPa.

Figure 3

Fig. 4. Triaxial test, axial compression rate 2.77 mm/mim; σ3 = 13kPa.

Figure 4

Fig. 5. Volumetric strain versus axial strain during a triaxial test.

Figure 5

Fig. 6. Stress paths in stress space.

Figure 6

Fig. 7. Stress histories and corresponding strain responses.

Figure 7

Fig. 8. Incremental stress history and corresponding strain response.

Figure 8

Table I. Parameters used in the formulation

Figure 9

Fig. 9. Experimental points and calculated curves for type (a) parameter-determining path shown in inset.

Figure 10

Fig. 10. Experimental points and calculated curves for type (a) parameter-determining path shown in inset.

Figure 11

Fig. 11. Experimental points and calculated curve for type (b) parameter-determining path shown in inset.

Figure 12

Fig. 12. Stress history for a verification path.

Figure 13

Fig. 13. Deformation path for a verification path.

Figure 14

Table II. Selection of results from verification paths

Figure 15

Fig. 14. Results of a verification path test. The solid curve shows the prediction from the formulation and the points show actual test results.

Figure 16

Fig. 15. Results of a verification path test. The solid curve shows the prediction from the formulation and the points show actual test results.

Figure 17

Fig. 16. Results of a verification path test. The solid curve shows the prediction from the formulation and the points show actual test results.

Figure 18

Fig. 17. Results of a verification path test. The solid curve shows the prediction from the formulation and the points show actual test results.

Figure 19

Fig. 18. Results of a verification path test. The solid curve shows the prediction from the formulation and the points show actual test results.

Figure 20

Fig. 19. Results of a verification path test. The solid curve shows the prediction from the formulation and the points show actual test results.