Collapsibility, composition, and microstructure of loess in China: Fid-Bau Portal

Collapsibility, composition, and microstructure of loess in China

Bai, Xiaohong

The collapse potential, mineralogy, microstructure, and particle morphology of a loess from the Loess Plateau, China, were characterized by double oedometer testing, X-ray diffraction, scanning electron microscopy with energy-dispersive X-ray spectroscopy, and image analysis to elucidate the origin of its collapse behavior. Results show that the loess is highly collapsible with a maximum collapse index of 6.7% at a vertical stress of ∼200 kPa. The deposit contains both nonclay (i.e., quartz, albite, muscovite, and calcite) and clay (i.e., two chlorites) minerals. Microstructural, chemical, and image analyses indicate that interparticle calcite and clay cementation and silt particle morphology render the intact soil a metastable structure. Wetting-induced collapse is attributed to both primary and secondary microstructure features. The former is the abundance of weakly cemented, unsaturated, porous pure clay and clay–silt mixture aggregates whose slaking upon wetting initiates the overall structural collapse, while the latter consists of high porosity, unstable particle contacts, and clay coating on silt particles that act synergistically to augment the collapse. A conceptual microstructural model of a four-tiered hierarchy (i.e., primary clay and silt particles, clay aggregates and clay-coated silt particles, clay–silt mixture aggregates, and cemented aggregate matrix) is proposed to represent its structural characteristics and to account for its high collapsibility.

Le potentiel d’affaissement, la structure minéralogique, la microstructure et la morphologie particulaire d’un loess provenant du Plateau de Loess, en Chine, ont été caractérisés à l’aide d’essais à l’oedomètre double, par diffraction des rayons X, au moyen de la microscopie électronique à balayage associée à la spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie et par analyse d’images, afin de connaître l’origine de l’affaissement du loess étudié. Les résultats obtenus montrent que ce dernier est fortement susceptible de s’affaisser, son indice maximal d’affaissement étant égal à 6,7 % pour une contrainte verticale d’environ 200 kPa. Le dépôt de loess contient à la fois des minéraux non argileux (c.-à-d. du quartz, de l’albite, de la muscovite et de la calcite) et argileux (c.-à-d. deux chlorites). Des analyses microstructurales, chimiques et d’images montrent que la cimentation interparticulaire de la calcite et de l’argile et la morphologie des particules de limon transforment le sol intact en structure métastable. L’affaissement dû à l’humification s’explique par les caractéristiques des microstructures primaires et secondaires. La microstructure primaire est caractérisée par l’abondance d’agrégats faiblement cimentés, non saturés et poreux d’argile pure et de limon argileux dont le ramollissement dû à l’humidification amorce l’affaissement structural, alors que la microstructure secondaire consiste en des particules de limon instable et fortement poreux en contact les unes avec les autres et en une couche d’argile recouvrant ces dernières, l’ensemble contribuant à accentuer le phénomène d’affaissement. Un modèle microstructural conceptuel à quatre niveaux (soit les particules primaires d’argile et de limon, les agrégats d’argile et les particules de limon recouvertes d’argile, les agrégats de limon argileux et la matrice formée par les agrégats cimentés) est proposé pour illustrer les caractéristiques structurales du loess étudié et pour expliquer sa forte tendance à s’affaisser. [Traduit par la Rédaction]