Advanced testing and a numerical tool for swell equilibrium limit of expansive soils

Abstract

Swelling-induced stresses and deformations have caused damage to buildings and infrastructure constructed in expansive soils. The cost of remediation and repairs on swelling-induced damages exceeds billions of dollars annually. The conventional swelling test has some limitations on measuring swelling pressures and volume changes that affect the analysis of swelling soils.

The swelling behavior of expansive clays is investigated through hydraulic mechanical advanced testing in the Swell Equilibrium Limit (SEL, Siemens and Blatz 2009) context. The SEL encompasses an upper bound limit of swelling-induced stresses and deformations under prescribed boundary conditions along with the applied pressure ranges from low stress to high confining stresses. A complete SEL is established from interpretation of triaxial and unconfined swelling tests. The unconfined swelling test is carried out in a newly developed testing apparatus. The maximum swelling deformation is determined by a non-contact method that incorporates digital image correlation. Various specimen aspect ratios are examined to determine the efficient test duration to achieve swelling equilibrium.

The SEL is used as a unifying framework to characterize swelling behavior of expansive soils in terms of swelling-induced stresses and volume change. A SEL catalogue is established with four tested materials that consist of a natural soil, two different recompacted soils and an engineered buffer. The index properties of each soil are studied in conjunction with the SEL curve fitting parameters. The developed correlation is used to calculate the preliminary SEL of Regina clay.

A numerical tool is developed to model swelling behavior in the SEL context. The numerical model used is the Sheng, Fredlund and Gens (SFG) model that requires two additional input parameters, including soil compressibility and saturation suction. The other input variables in the SFG model are based on the initial states of the soil and the applied boundary condition. A parametric study of the model is carried out to determine the sensitivity of the input parameters and the initial soil state. An example of a basement constructed in swelling soil is presented to demonstrate the model applicability to analyze swelling-induced stresses and deformations.

Les contraintes et déformations induites par gonflement causent annuellement des dommages qui totalisent plusieurs milliards de dollars aux bâtiments et infrastructures construits dans les argiles expansives. Au présent, la conception et la construction des bâtiments sont guidés par les tests conventionnels du laboratoire et les stratégies d’analyse pour mesurer et prédire les pressions de gonflement et les changements de volume. Clairement il existe un écart entre l'état de la pratique pour caractériser les matériaux expansifs et l'analyse des applications d'ingénierie qui sont construites utilisent les sols expansifs. Cette thèse répond à ce besoin grâce à une nouvelle technique pour les tests du laboratoire, l'établissement d'un catalogue des résultats des tests de gonflement et le développement d'un outil d'analyse numérique pour prédire les contraintes et les déformations induites par gonflement.

Le comportement de gonflement de l'argile expansive est examiné par les tests avancés d'hydromécanique et est interprété dans le contexte de la limite de gonflements à l'équilibre (SEL, Siemens et Blatz, 2009). La SEL englobe une limite supérieure des contraintes et déformations induites par gonflement dans les conditions aux limites prescrites, avec la gamme de pression appliquée à partir de la contrainte nominale à la contrainte de confinement élevé. La limite de gonflement à l’équilibre complète est étayée par des tests triaxiaux et de gonflement non-confiné. Le test de gonflement non-confiné est accompli dans un laboratoire avec un nouvel appareil d’expérimentation. La déformation de gonflement maximale est déterminée par une méthode de non-contact qui intègre la corrélation des images numériques analysées avec le software geoPIV. Divers rapports d’aspects des spécimens sont testé pour déterminer le rapport de hauteurv à-diamètre optimal qui permet l’achèvement de gonflement équilibre dans une période de test raisonnable.

La SEL est utilisé comme un cadre d’unification pour caractériser et prédire le comportement de gonflement dans les sols expansifs en fonction des contraintes induites par gonflement et le changement de volume. Un catalogue de SEL est établi par des tests sur quatre sols; ces sols consistent d’un sol naturel, deux sols différents qui sont ré-compacté et d’un tampon ingénierie. Les deux sols ré-compactés, spécifiquement l’argile ré-compacté de Bearpaw et l’argile de Lac Agassiz, ont été testés dans le gonflement triaxiaux et le gonflement non-confiné pour leur SEL interprétation. Les propriétés de l’index et les limites Atterberg de chaque sol sont rapportés en conjonction avec les paramètres d’ajustement de la courbe obtenus par le changement de volume de la SEL – la contrainte moyenne et la pression de gonflement – et les graphes EMDD. Le développement de cette corrélation est utilisé pour prédire la SEL de l’argile du Regina, qui est en accorde avec les données publiées.

Un outil d’analyse numérique est développé pour modéliser le comportement de gonflement dans le contexte de la SEL. L’outil d’analyse numérique est fondé sur le modèle de Sheng, Fredlund et Gens (SFG) qui a besoin de deux paramètres additionnels; la compressibilité du sol en gonflement et la succion de saturation. Ces paramètres sont en plus des propriétés des matériaux qui sont traditionnellement associés avec l’état critique. Les variables qui restent pour le modèle SFG sont basées sur les conditions du sol initial et les conditions aux limites appliquées pendant gonflement. Le modèle est appliqué avec succès aux résultats triaxiaux et de gonflement non-confiné sur un tampon ingénierie et un sol ré-compacté. Une étude paramétrique du modèle était aussi menée pour déterminer la sensibilité des paramètres d’entrée et l’état du sol initial. Finalement, un exemple d’un mur de sous-sol construit dans le sol expansif est présenté pour démontrer l’applicabilité du modèle SFG pour prédire les contraintes et déformation induite par gonflement.