Compression mechanisms of unsaturated clay under high stresses: Fid-Bau Portal

Compression mechanisms of unsaturated clay under high stresses

Mun, Woongju

This paper investigates the compression behavior of unsaturated clay under mean stresses up to 160 MPa and different drainage conditions. A new isotropic pressure cell was developed that incorporates matric suction control using the axis-translation technique, and a high-pressure syringe pump operated in displacement-control mode was used to control the total stress and track specimen volume changes. In addition to presenting results from characterization tests on the cell, results from a series of isotropic compression tests performed on compacted clay specimens under drained and undrained conditions are presented. These results permit evaluation of the hardening mechanisms and transition points in the compression curve with increasing effective stress. As expected, specimens tested under undrained conditions were much stiffer than those tested under drained conditions. In the drained tests, the rate of compression was sufficient to permit steady-state dissipation of excess pore-water pressure except under the highest stress ranges. Suction-induced hardening was observed when comparing saturated and unsaturated specimens tested in the drained compression tests. In both the drained and undrained compression tests, the range of applied stresses was sufficient to cause collapse or dissolution of the air voids (pressurized saturation) and convergence of the virgin compression lines for unsaturated specimens with that measured for saturated specimens. A gradual transition to full-void closure was observed at high stresses when the compression curves were plotted on a natural scale, but the shapes of the compression curves at high stresses were not consistent with conventional soil mechanics models when plotted on a semilogarithmic scale. The results from this study provide insight into how constitutive models for unsaturated soils can be extended to high stress conditions for drained and undrained conditions.

Le présent article s’intéresse au mécanisme de compression d’argiles non saturées soumises à des pressions moyennes pouvant atteindre 160 MPa, dans différentes conditions de drainage. Un nouveau type de cellule nanométrique a été conçu, qui permet de contrôler la succion matricielle à l’aide de la technique de translation d’axe, et une pompe à seringue haute pression a été utilisée en mode contrôle de déplacement pour réguler les contraintes totales et surveiller les variations de volume des spécimens étudiés. En plus de détailler les résultats des essais de caractérisation réalisés au moyen de la cellule nanométrique, cet article présente une série d’essais de compression isotropique effectués sur des spécimens d’argile compactée dans des conditions drainées et non drainées. Ces résultats ont permis d’analyser les mécanismes de durcissement et de déterminer les points de transitions sur la courbe de compression lorsque la contrainte effective augmentait. Comme prévu, les spécimens mis à l’essai dans des conditions non drainées étaient beaucoup plus rigides que ceux testés dans des conditions drainées. Lors des essais drainés, le taux de compression était suffisamment élevé pour permettre une dissipation à l’état stable de la pression interstitielle en excès, sauf dans le cas de valeurs de contrainte maximales. Le durcissement provoqué par la succion a été observé lors de la comparaison entre les spécimens saturés et non saturés testés lors des essais de compression drainés. Durant les essais de compression drainés et non drainés, les valeurs de contraintes appliquées étaient suffisamment élevées pour causer l’effondrement ou la dissolution des vides interstitiels (saturation sous pression) et la convergence des lignes de compression vierge associées aux spécimens non saturés avec celles mesurées dans le cas des spécimens saturés. Une transition graduelle vers une obstruction totale des vides interstitiels a été constatée pour des valeurs de contrainte élevées lorsque les courbes de compression ont été tracées à l’échelle réelle. Cependant, les formes des courbes de compression pour des valeurs de contrainte élevées ne concordaient pas avec les paramètres des modèles conventionnels de mécanique des sols lorsqu’elles étaient tracées à l’échelle semi-logarithmique. Les résultats de la présente étude permettent de comprendre comment les modèles constitutifs associés aux sols non saturés peuvent être également appliqués dans des conditions drainées ou non drainées, en présence de valeurs de contrainte élevées. [Traduit par la Rédaction]