Practical guidelines on the determination of one-dimensional swell properties of highly expansive clays

Abstract

ABSTRACT : Engineers typically require two parameters for the understanding of expansive soils to limit damages invoked by volume change: the swell pressure – the stress required to completely restrain volume change upon inundation – and the swell potential – the volume increase exhibited upon inundation at a given stress level. These properties have been shown to be dependent on the stress path followed during their measurement in the laboratory. This creates challenges for practitioners attempting to obtain reliable swell properties without an extensive testing programme. A discussion of the stress path-dependency and reasons for variations of the measured swell properties within a Barcelona Extended Model (BExM) framework is given. Series of oedometer tests following three standard methods for the determination of swell pressure and swell potential were carried out for two highly expansive clay soils with different microfabric types. After swell phases, samples were consolidated to high stresses (up to 4 MPa). For both soils, the magnitudes of the swell properties relative to one another, when measured using the different experimental methods, aligned with the predicted hierarchy according to the theoretical framework. This verifies the suitability of the framework for both microfabric types. The insights gained from the test results and theoretical framework were used to design a minimum testing programme for practitioners, allowing robust determination of the swell pressure and swell potential of a given clay.

RESUME : Les ingénieurs ont généralement besoin de deux paramètres pour comprendre les sols expansifs afin de limiter les dommages causés par le changement de volume : la pression de gonflement – la contrainte requise pour limiter complètement le changement de volume lors de l'inondation – et le potentiel de gonflement – l'augmentation de volume présentée lors de l'inondation à un niveau de contrainte donné. Il a été démontré que ces propriétés dépendent du trajet de contrainte suivi lors de leur mesure en laboratoire. Cela crée des défis pour les praticiens afin d'obtenir des propriétés de gonflement fiables sans un programme de tests approfondi. Une discussion sur la dépendance au trajet de contrainte et les raisons des variations des propriétés de gonflement mesurées dans le cadre du modèle étendu de Barcelone (BExM) est présentée. Une série de tests d'oedomètre suivant trois méthodes standard pour la détermination de la pression de gonflement et du potentiel de gonflement a été réalisée sur deux sols argileux hautement expansifs de types de microfabrique différents. Après les phases de gonflement, les échantillons ont été consolidés sous des contraintes élevées (jusqu’à 4 MPa). Pour les deux sols, les magnitudes des propriétés de gonflement mesurées expérimentalement, par rapport les unes aux autres à l'aide des différentes méthodes, ont été conformes à la hiérarchie prédite selon le cadre théorique. Cela vérie l'adéquation du cadre pour les deux types de microfabrique. Ces connaissances ont été utilisés pour concevoir un programme d'essais minimal pour les praticiens, afin de déterminer de manière robuste la pression de gonflement et le potentiel de gonflement d'une argile donnée.