Experimental and theoretical analysis of cracking in drying soils
Authors:   , Lakshmikantha M.R. 
Published: October 2023

The thesis focuses on the experimental and theoretical aspects of the process of cracking in drying soils. The results and conclusions were drawn from an exhaustive experimental campaign characterised by innovative multidisciplinary aspects incorporating Fracture Mechanics and classical Soil mechanics, aided with image analysis techniques. A detailed study of the previous works on the topic showed the absence of large scale fully monitored laboratory tests, while the existing studies were performed on already cracked soil, rather than focusing on the process of cracking. Also, the absence of a multidisciplinary approach was strongly felt.
The soil used in the present work is a Barcelona silty clay, extensively studied previously for its Thermo-Hydro-Mechanical (THM) behaviour. Tensile strength and fracture toughness are two important fracture parameters that were not characterized previously and which were determined for the soil used in the investigation. The effect of moisture content on tensile strength and fracture toughness was established. The variation of tensile strength with the degree of saturation was theoretically explored considering the concept of unsaturated cohesion, while the concepts of activation energy and rate process theory were used to explain the relation between the fracture toughness and moisture content.
Preliminary desiccation tests were conducted to gain basic knowledge of the cracking behaviour of Barcelona soil. Further experiments were conducted in a controlled laboratory environment with rectangular holding trays of similar geometry with five different surface areas. Crack initiation, temporal evolution of cracks resulting in the final crack pattern, meeting and bifurcation of cracks resulting in intersections, etc. were studied in detail.
One of the objectives of the desiccation tests with similar geometry was to check the applicability of fracture mechanics. The results of the experiments showed existence of size-effect in soil cracking, thus justifying the use of fracture mechanics as a framework to model crack propagation.
A novel equipment capable of simulating the different combinations of climatic conditions with monitoring by sensors and a digital camera was designed and constructed. This enivironmental chamber can hold large specimens up to 80 cm in diameter and 20 cm thick.
The results from experiments carried out with the environmental chamber have provided new knowledge about the process and mechanisms of desiccation cracking. Some observations made during the experiments prompted more detailed experiments on some aspects of crack formation. The morphology of cracks, fissures, and the presence of spiral and ripple-like cracks on the bottom surface demanded to explore a different theoretical point of view into the mechanism of cracking in soils. The possibility of using a theory based on either classical or unsaturated soil mechanics is critically examined, with emphasis on the importance of surrounding ambient conditions and seasonal variations.
Finally, detailed macro-morphology analysis of the crack patterns was performed. A theory was developed based on the morphology of crack patterns to explain the crack formation as a result of successive domain divisions or hierarchical nature of crack formation.
To test the proposed theory, temporal evolution of cracks and crack pattern were studied in detail, showing the existence of hierarchy very clearly. An attempt has been made to explore a new way of analysing the cracking in soils as a process in transition from a disordered (at crack initiation) to a deterministic behaviour (at the end of drying resulting in a complex pattern). Finally, the possible mechanisms for the formation of cracks at the bottom of the specimens were examined, with emphasis on curling and synaeresis processes.

La tesis se centra en los aspectos teóricos y experimentales del proceso de agrietamiento de suelos por desecación. Los resultados y las conclusiones fueron extraídos de una exhaustiva campaña de experimentación caracterizada por su aspecto multidisciplinario, incorporando las bases de la mecánica de fractura y la mecánica del suelo con la ayuda de técnicas de análisis de imagen.
Un estudio detallado de los trabajos anteriores sobre el tema puso de manifiesto la ausencia de experimentos a gran escala monitorizados en el laboratorio. Los estudios existentes se han realizado sobre suelos agrietados en lugar de centrarse en suelos en proceso de agrietamiento. Es remarcable, además, la ausencia de un enfoque multidisciplinario. El suelo utilizado en el presente trabajo es una arcilla limosa de Barcelona, ampliamente estudiada por su comportamiento Termo-Hidro-Mecánico (THM). Se recopilaron las características geológicas y geotécnicas reportadas en anteriores tesis doctorales y se determinaron dos nuevos importantes parámetros de fractura tales como la resistencia a tracción y la tenacidad de fractura del suelo estudiado. Fueron utilizados equipos específicos para cada parámetro. Se estableció el efecto del contenido de humedad en el suelo sobre la resistencia a tracción y tenacidad de fractura. Se estudió de forma teórica la variación de la resistencia a tracción con el grado de saturación, teniendo en cuenta el concepto de cohesión no saturada. Los conceptos de energía de activación y teoría de tasa de proceso se utilizaron para explicar la relación entre la tenacidad de fractura y el contenido de humedad.
Para conocer el comportamiento del suelo estudiado en cuanto a desecación y agrietamiento se realizaron unos ensayos preliminares. Adicionalmente, se realizó otra serie de experimentos con bandejas de geometría similar pero con diferente superficie, estudiando con precisión detalles como la iniciación y la evolución temporal de las grietas, sus intersecciones y el patrón final de agrietamiento. En general los resultados de los ensayos de desecación confirmaron los datos conocidos, excepto algunas observaciones que no correspondían a ningún resultado de estudios previos publicados. Uno de los objetivos de los ensayos de desecación con geometrías similares fue el de estudiar la aplicabilidad de la teoría de Mecánica de Fractura. Los experimentos demostraron la existencia del efecto del tamaño en el agrietamiento del suelo, justificando el uso de la mecánica de fractura como marco teórico de referencia para modelar el proceso de propagación de las fisuras en suelos.
Se diseñó y construyó un nuevo equipo especial para el estudio del fenómeno del agrietamiento por desecación, la cámara ambiental, capaz de simular las diferentes combinaciones de condiciones climáticas con control por sensores y una cámara fotográfica digital integrada. En ella se pudieron estudiar muestras de gran tamaño, hasta 80 cm de diámetro y 20 cm de espesor. Algunas observaciones llevadas a cabo durante los experimentos mostraron la necesidad de realizar estudios ms detallados y de cambiar el punto de vista teórico del mecanismo de agrietamiento de suelos. Especialmente, teniendo en cuenta la presencia de grietas en forma de espiral en la superficie inferior de la muestra.
La posibilidad de utilizar teorías basadas tanto en la mecánica de suelos clásica como en la no saturada fue examinada desde un punto de vista crítico, con énfasis en la importancia de las condiciones ambientales y las variaciones estacionales.

Por último, se llevó a cabo un estudio sobre la macro-morfología detallada del patrón de agrietamiento. Una teoría basada en la morfología de las grietas fue desarrollada para explicar la formación de las grietas como resultado de las sucesivas divisiones de áreas integrales o de la naturaleza jerárquica de la formación de grietas. Para probar la nueva teoría, se estudió la evolución temporal de las grietas y el patrón de fisuras en detalle y los resultados mostraron la existencia de una jerarquía clara. Se realizó un intento de explorar una nueva forma de enfocar el agrietamiento de suelos como una conducta desordenada o determinista. Finalmente, los posibles mecanismos para la formación de grietas en la parte inferior de la muestra fueron examinados, dando importancia a los fenómenos de deformación por flexión y sinéresis.

La tesis es centra en els aspectes teòrics i experimentals del procés d’esquerdament en sòls per dessecació. Els resultats i les conclusions varen ser extretes d’una exhaustiva campanya d’experimentació caracteritzada pel seu aspecte multidisciplinari, incorporant les bases de la mecànica de fractura i la mecànica del sòl amb l’ajuda de tècniques d’anàlisis d’imatge.
Un estudi detallat dels treballs anteriors sobre el tema va posar de manifest l’absència d’experiments a gran escala monitoritzats al laboratori. Els estudis existents s’han realitzat sobre sols esquerdats en comptes de centrar-se en sòls en procés d’esquerdament.
És remarcable, a més, l’absència d’un enfocament multidisciplinar. El sòl utilitzat en el present treball és una argila llimosa de Barcelona, àmpliament estudiada pel seu comportament Termo-Hidro-Mecànic (THM). Es varen recopilar les característiques geològiques i geotècniques descrites en anteriors treballs i es varen determinar dos nous importants paràmetres de fractura tals com la resistència a tracció i la tenacitat de fractura del sòl estudiat. Van ser necessaris equips específics per a cada un dels paràmetres. Es va establir l’efecte del contingut d’humitat del sòl sobre la resistència a tracció i la tenacitat de fractura. Es va explorar de forma teòrica la variació de la resistència a tracció amb el grau de saturació, tenint en compte el concepte de cohesió no saturada. Els conceptes d’energia d’activació i la teoria de velocitat dels processos es varen utilitzar per a explicar la relació entre la tenacitat de fractura i el contingut d’humitat.
Per a conèixer el comportament del sòl estudiat en quan a dessecació i esquerdament es varen realitzar uns assaigs preliminars. Addicionalment, es varen realitzar una altra sèrie d’experiments amb safates de geometria similar però amb diferents superfícies, estudiant amb precisió detalls com l’inici i l’evolució temporal de les esquerdes, llurs interseccions i el patró final d’esquerdament. En general els resultats dels assaigs de dessecació varen confirmar les dades conegudes, exceptuant algunes observacions que no corresponien a cap resultat d’estudis previs publicats. Un dels objectius dels assaigs de dessecació amb geometries similars va ser el d’estudiar l’aplicabilitat de la teoria de mecànica de fractura.
Els experiments varen demostrar l’existència del efecte del tamany en l’esquerdament de sòls, justificant l’ús de la teoria de la mecànica de fractura com a marc de referència per a un model teòric de propagació d’esquerdes en sòls.
Es va dissenyar i construir un nou equip especial per a l’estudi del fenomen d’esquerdament per dessecació, la cambra ambiental, capaç de simular diferents combinacions de condicions climàtiques amb control per sensors i una càmera digital integrada. Amb ella es varen poder estudiar mostres de gran tamany, fins a 80 cm de diàmetre i 20 cm d’espessor.
Algunes observacions dutes a terme durant els experiments varen mostrar la necessitat de realitzar estudis més detallats i de canviar el punt de vista teòric del mecanisme de d’esquerdament en sòls. Especialment, tenint en compte la presència d’esquerdes en forma d’espiral a la superfície inferior de la mostra. La possibilitat d’utilitzar teories basades tant en la mecànica de sòls clàssica com en la no saturada va ser examinada des d’un punt de vista crític, emfatitzant la importància de les condicions ambientals i les variacions estacionals.
Per últim, es va estudiar la macro-morfologia detallada del patró d’esquerdament. Una teoria basada en la morfologia de les esquerdes va ser desenvolupada per explicar la formació de les esquerdes com a resultat de les successives divisions d’àrees integrals o de la naturalesa jeràrquica de la formació d’esquerdes. Per a provar la nova teoria, es va estudiar l’evolució temporal de les esquerdes i el patró d’esquerdament en detall i les resultats varen mostrar l’existència d’una jerarquia clara. Es va realitzar un intent d’explorar una nova manera d’observar l’esquerdament de sòls com una conducta desordenada o determinista.
Finalment, els possibles mecanismes per a la formació d’esquerdes a la part inferior de la mostra varen ser examinats, donant importància als fenòmens de deformació per flexió i la sinèresi.