Swelling phenomena and effective stress in compacted expansive clays: Fid-Bau Portal

Swelling phenomena and effective stress in compacted expansive clays

Mašín, David

L’objectif principal du présent article est d’étudier l’applicabilité du principe de contrainte effective tel qu’il est défini par Terzaghi (contrainte totale moins pression de l’eau interstitielle) à la prédiction du comportement d’agrégats en argile. Les interactions entre les minéraux d’argiles sont d’abord analysées à l’échelle moléculaire dans le cadre d’une étude scientifique portant sur les colloïdes. On observe en particulier que, dans le cas distances interparticulaires supérieures à environ 1,5 nm, la pression de l’eau interstitielle dans une solution brute à l’équilibre constitue une composante supplémentaire de la pression de disjonction interparticulaire. On conclut que, pour de telles distances, le principe de contrainte effective de Terzaghi devrait permettre de décrire le comportement de l’argile. Pour approfondir l’étude, on a analysé une importante base de données expérimentales figurant dans de précédentes publications et portant sur neuf types de bentonites de sodium ou de calcium. À l’aide d’un modèle constitutif à double structure, on a mis au point des procédures permettant d’extraire des données sur le comportement des agrégats d’argile à partir des mesures expérimentales. On a ensuite montré que les courbes de rétention de l’eau non confinée, les essais de pression de gonflement, les essais de gonflement sous chargement constant et les essais de relâchement des contraintes mécaniques mettent en évidence une relation unique entre la densité sèche (ou l’indice des vides) des agrégats d’argile et la contrainte effective moyenne. Compte tenu du comportement réversible des agrégats et de la saturation complète de ces derniers, on en conclut que le principe de contrainte effective est bien capable de prédire la déformation volumétrique d’agrégats d’argile gonflante. [Traduit par la Rédaction]

The central aim of this paper is to discuss the applicability of the effective stress principle as defined by Terzaghi (total stress minus pore-water pressure) to predict the behaviour of expansive clay aggregates. Phenomena occurring between individual clay minerals are reviewed first at the molecular level obtained in the colloid science research. In particular, it is noted that, for interparticle distances higher than approximately 1.5 nm, the pore-water pressure in the bulk equilibrium solution forms an additive component of the interparticle disjoining pressure. It is concluded that for these distances Terzaghi’s effective stress principle should be adequate to describe the clay behaviour. To support these developments, an extensive experimental database of nine different sodium and calcium bentonites available in the published literature was analysed. With the aid of double structure constitutive modelling, procedures were developed to extract information about the behaviour of clay aggregates from the experimental measurements. It was then shown that unconfined water retention curves, swelling pressure tests, swelling under constant load tests, and mechanical unloading tests are all uniquely related in terms of the dependency of dry density (or void ratio) of clay aggregate versus mean effective stress. By considering reversibility of aggregate behaviour and full saturation of aggregates, this implies that the effective stress principle is a valid way of predicting expansive clay aggregate volumetric deformation.