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An experimental and theoretical study of the behaviour of a calcarenite in triaxial compression
Authors: Lagioia R. , Nova R. 
Published: October 2009

An experimental and theoretical investigation on the behaviour of a calcarenite subjected to various axisymmetric loading programmes is reported. The essential feature of the observed behaviour is the occurrence of a destructuration phase, which marks the transition from rock-like to soil-like behaviour. During this phase the state of stress remains constant, while strains increase steadily. Three phases can be distinguished: an initial elastic, a destructuration phase and a hardening or softening phase which ends on an ultimate state locus which is linear in the p'–q plane. The observed behaviour is more and more ductile for increasing confining pressures. In the softening regime the specimen is unstable. It is shown that by means of a mathematical model based on the theory of strain-hardening plasticity it is possible to describe mathematically the overall behaviour of the calcarenite in various types of triaxial compression test. Qualitative and quantitative accuracy is generally satisfactory, especially for drained tests at high confining pressures and oedometric loading. For low confining pressures agreement between calculated and observed data after peak is much less satisfactory. KEYWORDS: calcareous soils; constitutive relations; laboratory tests; plasticity; soft rocks. L'article présente une recherche expérimentale et théorique du comportement d'une calcarénite soumise à différents programmes de chargement axisymétrique. La principale observation est l'apparition d'une phase de déstructuration correspondant à la transition entre un comportement de type roche et un comportement de type sol. Lors de cette phase, l'état de contrainte reste constant alors que les déformations augmentent réguli&gave;rement. Trois phases différentes sont à distinguer: une phase initiale élastique, une phase de déstructuration et une phase d'écrouissage positif ou négatif menant à un état ultime, représenté par une droite dans le plan p'–q. Le comportement observé devient de plus en plus ductile au fur et à mesure que la pression de confinement augmente. En régime de radoucissement, l'échantillon est instable. Un modàle mathématique fondé sur la théorie de la plasticité par écrouissage positif permet de décrire mathématiquement le comportement d'ensemble d'une calcarénite au tours de différents essais de compression triaxiaux. La précision est, dans l'ensemble, qualitativement et quantitativement satisfaisante et ce, plus particuliàrement, pour les essais drainés à forte pression de confinement et pour les essais oedométriques. Pour les faibles pressions de confinement, la correspondance entre les valeurs calculées et les valeurs mesurées après le pic est beaucoup moins bonne.
Pile end-bearing capacity in crushable sands
Authors: Yasufuku N. , Hyde A. F. L. 
Published: October 2009

The occurrence and formation of crushable soils is a widespread phenomenon. Warm tropical seas give rise to deep deposits of biogenic skeletal sediments in coastal shelf areas, or exposed granitic intrusions are subjected to deep weathering resulting in decomposition. The end-bearing capacity of piles in crushable soils is important for the design of foundations in these diverse soils, but the analysis of foundations in these soils is problematic due to their compressibility and highly curved Mohr–Coulomb failure envelopes. The use of the spherical cavity expansion method offers potential for a better prediction of end-bearing capacities by taking into account soil crushability and the decrease of friction angle with increasing mean normal stress. A formula relating end-bearing pressure to the pressure to expand a cavity and the soil secant friction angle has been developed, which refines and simplifies Vesic's original equations. However, the actual model pile settlement ratio at which the predicted cavity expansion values were reached increased with soil crushability and decreased with increasing relative density. A simple linear relationship has been proposed between a soil compressibility index Cp and the pile settlement ratio at which the bearing capacity predicted by the theoretical cavity expansion method is mobilized. KEYWORDS: calcareous soils: laboratory tests; model tests; offshore engineering; piles; sands. Les sols compressibles sont des formations très répandues. Its se forment dans les mers chaudes tropicales qui favorisent le dépôt de sédiments biogéniques profonds dans les zones de plate-forme côtière, ou proviennent de l'altération profonde de granites intrusifs affleurants se traduisant par une décomposition du matériau. La capacité portante en pointe des pieux devient done un paramètre primordial pour la conception de fondations dans ce type de sols. Toute analyse de fondations dans ce type de sols pose cependant des problèmes en raison de la compressibilité et des enveloppes de rupture de Mohr–Coulomb très incurvées de ces sols. La méthode par expansion d'une cavité sphérique est susceptible de permettre une meilleure prévision de la capacité portane en pointe puisqu'elle prend en compte la compressibilité du sol et al diminution de l'angle de frottement lorsque la contrainte normale moyenne augmente. Une équation, plus simple que les équations de Vesic, a été établie entre la pression en pointe, la pression d'expansion d'une cavité et l'angle de frottement tangential du sol. Cependent, avec notre modèle de pieux actuel, les valeurs de tassement, correspondant aux valeurs prévisionnelles de l'essai d'expansion de cavité, augmentent avec la compressibilité du sol et diminuent lorsque la densité relative augmente. On propose une relation linéaire simple entre l'indice de compressibilité Cpdu sol et le tassement des pieux pour lequel la capacité portante prevue par la méthode d'expansion d'une cavité théorique est mobilisée.
Analysis of coupled heat, moisture and air transfer in a deformable unsaturated soil
Authors: Thomas H. R. , He Y. 
Published: October 2009

A new theoretical formulation for the analysis of coupled heat, moisture and air transfer is presented, which is applicable to a deformable unsaturated soil. The approach proposed extends previous analyses of the coupled transport of heat, pore water and pore air to take account of the deformation behaviour of partially saturated soil. A numerical solution of the governing differential equations is achieved by the use of the finite element method as a spatial discretization technique coupled with a finite difference recurrence relationship to describe transient behaviour. Three isothermal test problems are then considered to model the behaviour of unsaturated soil under varying stress and suction conditions. Both heave and collapse due to wetting are simulated. The model is applied to experimental work performed by others for the case of heating of an unsaturated montmorillonite clay and is shown to be capable of producing quantitatively physically correct results. These indicate that strong interactions occur between temperature, pore liquid content, suction and deformation of the soil. KEYWORDS: numerical modelling and analysis; partial saturation; temperature effects. L'article présente une nouvelle formulation théorique du transfert couplé de chaleur-humidité-air applicable aux cols déformables non-saturés. Notre approche est une extension des analyses antérieures de transport couplé de chaleur, d'eau interstitielle et d'air interstitiel de façon à prendre en compte le comportement en déformation d'un sol partiellement saturé. Les équations différentielles régissant le transport sont résolues numériquement à l'aide d'une méthode par éléments finis. Cette méthode, fondée sur une technique de discrétisation spatiale associée à une relation récurrente par difference finies, permet de décrire le comportement transitoire. Trois exercices isothermes ont été dévelop-pés pour modéliser le comportement d'un sol non-saturé soumis a différentes conditions de contrainte et de succion. Le gonflement et l'effondrement résultant d'une humidification du matériau ont été simulés. Le modéle, testé sur des essais expérimentaux de chauffage d'une montmorillonite non-saturée, réalisés par d'autres chercheurs, donne des résultats physiques corrects du point de vue qualitatif. Ceci montre que la température, la teneur en eau, la succion et la déformation du sol sont fortement corrélées.
A numerical investigation of landfill hydraulics using variably saturated flow theory
Authors: McDougall J. R. , Sarsby R. W. , Hill N. J. 
Published: October 2009

Percolation of liquid in waste refuse is fundamental to the leachate generation process. This paper describes a preliminary investigation into the modelling of moisture transport in engineered, landfilled waste. Variably saturated flow theory is applied to simulate jointly liquid movement in both fully and partially saturated zones. The fundamental characteristics of engineered landfill and variably saturated flow are introduced; then the governing equation and method of solution are presented. Characterization of the waste and interpretation of boundary flows are discussed. The practical application of the model is illustrated by the simulation of leachate discharge during the infilling of an idealized landfill site. La percolation des liquides dans les décharges joue un rôle prédominant dans le processus de lixiviation. L'article décrit une étude préliminaire de la modélisation du mouvement des liquides dans les décharges contrôlées. Les auteurs appliquent la théorie de l'éoulement à saturation irrégulière pour simuler le mouvement des liquides simultanément dans des zones complètement et pardellement saturées. L'article décrit les caractéristiques fondamentales des décharges contrôlées et de l'éoulement à saturation irrégulière, puis présente l'quation maîtresse et la méthode de résolution. II examine la caractérisation des déchets et l'interprétation des écoulements limites. L'application pratique du modèle est illustrée par la simulation de la lixiviation pendant le remplissage d'une décharge idéalisée.
Wave-induced soil response in a nearly saturated sea-bed of finite thickness
Authors: Jeng D. S. , Hsu J. S. C. 
Published: October 2009

Consolidation and storage equations are used to develop a closed-form solution for the wave-induced pore pressure, soil displacements and effective stresses in an elastic sea-bed subject to a system of two intersecting waves. A homogeneous soil matrix of finite thickness in isotropic and saturated conditions only is considered. The three-dimensional general solutions so developed are readily reducible to the conditions for soil of infinite thickness, and also for the limiting cases of two-dimensional progressive and standing waves for soil of finite thickness, for which no explicit solutions have previously been available. Verification of this solution with results of two-dimensional solutions available from a semi-analytical method, a boundary-layer approximation and a numerical model is carried out. Validation is performed by comparison with experimental results. The effects on wave-induced pore pressure of sea-bed thick- ness, shear modulus of soil and grain size are discussed. Les équations de stockage et de consolidation sont à la base de la solution approchée qui a été développée et qui permet de calculer la pression interstitielle, les déplacements et les contraintes effectives régnant dans un banc marin, élastique, soumis à deux régimes de vagues sécants. On considère que le sol est homogène, isotrope, saturé et d'épaisseur fine. Les solutions générales tridimensionnelles mises en oeuvre sont facilement transposables à un sol d'épaisseur infinie ou à un sol d'épaisseur finie soumis à un système bidimensionnel de vagues progressives puis stationnaires, cas pour lequel il n'y avait, jusqu'à présent, aucune solution explicite. Cette solution a été vérifée à l'aide des différentes solutions bidimensionnelles calculées à l'aide d'une méthode semi-analytique, d'une approximation couche-limite et d'un modèle numérique. Elle est validée par les résultats expérimentaux. On étudie également l'influence de l'paisseur du banc, du module de cisaillement du sol et de la taille des grains sur la pression interstitielle créée par les mouvements marins.
Sizewell B foundation dewatering—system design, construction and performance monitoring
Authors: Knight D. J. , Smith G. L. , Sutton J. S. 
Published: October 2009

The design, construction and extended performance of a major dewatering system allowed the construction of Sizewell B to take place in the dry over an area of 9 ha within a 56 m deep diaphragm wall enclosure over a four-year period. Foundation excavations were up to 15 m below the water-table. The anisotropic permeability of the Norwich Crag aquifer and foundation was determined by an iterative analytical technique applied to pumping tests at the pre-construction stage. An electrical resistance network analogue model using miniaturized resistors was a primary tool for groundwater drawdown predictions which, with non-linear finite element analyses, led to the establishment of a drawdown—settlement relationship used to control the effects on the adjacent operational Sizewell A. A quantitative assessment of the ingress of water through the as-made diaphragm wall and the underlying London clay cut-off stratum, based on the pumping records, is given. La conception, la construction et ľamélioration des performances ďun grand systéme de drainage ont permis de construire la tranche B de la centrale nucléaire de Sizewell dans un environnement sec. Grâce un mur-diaphragme de 56 m de hauteur, une surface de 9 ha a été asséchée pendant une période de plus de 4 ans. Les excavations des fondations se situaient &garve; plus de 15m sous la surface piezom&garve;trique. Ľanisotropie de perméabilit&acuté de ľaquifére de Norwitch Crac et les fondations ont été déterminées par une méthode analytique itérative reposant sur des essais de pompage effectués lors de travaux préparatoires à la construction. Un modèle fondè sur une analogie avec un circuit de résistances miniaturisées a été associé à une analyse par éléments finis non linéaires. Ces deux modèles ont permisď'effectuer des prèvisions de rabattement de la nappe et ď&gravetablir une relation entre le rabattement et le tassement, afin ďanalyser les effets sur la tranche A en acdvité. Une estimation quantitative des venues ďean, à travers le mur diaphragme et la couche sous-jacente des argiles de Londres, reposant sur des essais de pompage, est fournie.
A laboratory study of the strength of four stiff clays
Authors: Burland J. B. , Rampello S. , Georgiannou V. N. , Calabresi G. 
Published: October 2009

The results of oedometer and triaxial tests on high-quality intact samples of four natural stiff clays are presented and compared with the corresponding results for reconstituted clays. By this means it has been possible to identify the influence of the micro-structure on the compressibility and peak strength of the natural clays. All four clays exhibit rapid loss of strength after peak with well-defined post-rupture strength envelopes. At low confining pressures the post-rupture angles of shearing resistance are all close to the corresponding intrinsic critical state values, but for some of the clays there is a small cohesive intercept. At higher confining pressures the post-rupture angles of shearing resistance are less than the corresponding critical state values. It is concluded that the strength reduction that takes place from peak to post-rupture strength is due primarily to breakage of interparticle bonds, but that at higher confining pressures some particle orientation also takes place. Les résultats dessais oedométriques et triaxiaux sur des échantillons de bonne qualité et intacts, obtenus à partir de quatre argiles raides, non remaniées, sont présentés. Ces résultats sont comparés à ceux obtenus sur des argiles remaniées. ll est alors possible didentifier Iinfluence de la microstructure sur la compressibilité et la résistance au pic des argiles naturelles. Les quatre montrent une décroissance rapide de la résistance après le pic ainsi que des enveloppes de résistance post-rupture bien marquées. A des pressions de confinement faibles, les angles de résistance au cisaillement post-rupture sont tons proches des valeurs intrinseques critiques, mais certaines argiles présentent une faible coh6sion. A des pressions de confinement plus élevées, les angles de résistance au cisaillement post-rupture ont une valeur inférieure aux valeurs de ľétat critique correspondant. On peut donc conclure que la baisse de la résistance entre le pic et la résistance post-rupture est essentiellement due à la rupture de liaisons interparticulaires, mais que lorsque la pression de confinement est élevée, une réorganisation des particules pent aussi avoir lieu.
Elastic visco-plastic modelling of one-dimensional consolidation
Authors: Yin J. -H , Graham J. 
Published: October 2009

This paper incorporates an elastic visco-plastic (EVP) constitutive model into the consolidation equation to calculate settlements and excess pore water pressures in clays under multi-stage constant vertical loads in one-dimensional vertical straining. A finite difference method is used to solve the resulting non-linear differential consolidation equation. Results from the model are compared with test data and results from other models. The EVP model is also used to simulate consolidation in different thicknesses of clay to investigate the influence of the thickness on total settlements, dissipation of pore water pressures, strains and stresses. Consolidation analysis using the model can describe phenomena caused by the viscous nature of clays: excess pore water pressures can become larger than their initial values immediately after loading, effective stresses in the clay may become smaller than their initial values, and the relationship between strains and effective stresses at the end of primary consolidation is not unique, but depends on the thickness of the clay layer. Un modèle de comportement élastique-viscoplastique (EPV) est injecté dans ľéquation de consolidation afin de calculer les tassements et les excès de pression interstitielle dans des argiles soumises à des incréments de chargements verticaux, constants, associés à une déformation verticale unidimensionnelle. La méthode des différences fines est utilisée pour résoudre ľéquation différentielle, non linéaire. Les résultats, obtenus à ľaide de ce modèle, sont comparés à des résultats expérimentaux et à des résultats issus ďautres modèles. Le modèle EPV est aussi utilisé pour simuler la consolidation de différentes épaisseurs dargiles afin de ďeterminer Pinfluence de ľépaisseur sur les tassements totaux, la dissipation des excès de pression interstitielle, les contraintes et les déformations. En utilisant ce modèle, on pent décrire les phénomènes dus &greve; la viscosité des argiles: les pressions interstitielles peuvent revenir à leurs valeurs initiales immédiatement après chargement, les contraintes effectives dans les argiles peuvent devenir inférieures à leurs valeurs initiales et la relation, reliant contraintes effectives et déformations à la fin de la consolidation primaire, nest pas unique mais dépend aussi de ľépaisseur de la couche ďargile.
Limit equilibrium analysis of embedded retaining walls
Authors: Powrie W. 
Published: October 2009

Embedded retaining walls are often designed on the basis of limit equilibrium stress distributions. Although this type of analysis has been used widely for many decades, there is considerable scope for confusion and disagreement concerning the values of soil strength and soil– wall friction which should be adopted, and the way in which a factor of safety should be applied. In this paper these issues are investigated with reference to previously-published laboratory and centrifuge model test results, and the observed behaviour of real walls at three sites. It is shown that, for embedded cantilever retaining walls which are either unpropped or propped near the crest, the onset of large deformations is reasonably well predicted by classical limit equilibrium stress distributions, using earth pressure coefficients based on critical state angles of soil friction with wall friction angle δ = Ø' = Ø'crit on both sides of the wall. The case data also tend to confirm that the procedures given in BS 8002 should lead to depths of wall embedment which are sufficient to guard against excessive movements under working conditions, provided that the most onerous geometrical, loading and groundwater conditions are correctly identified, and that the soil strength is selected with care. Les murs de soutènement encastrés sont habituellement conçus sur la base de la distribution des contraintes à l'équilibre limite. Ce type d'analyse qui a été utilisé durant depuis plusieurs décennies, induit de nombreuses erreurs et confusions concernant le choix des valeurs de résistance du sol et de frottement mur-sol, ainsi que dans le choix d'un facteur de sécurité correct. Dans cet article, ces problemes seront examine's grace a des essais en laboratoire de modeles centrifugés et d'observations in-situ du comportement de murs sur trois sites différents. Il a W observé que pour les murs de soutenement cantilever encastrés, qu'ils soient pourvu on non d'une chaise en tete, Pamorce de grandes deformations est assez bien prévue par la distribution des contraintes a Nquilibre limite, en utilisant les coefficients de pression des terres, avec un angle de frottement du sol a Ntat critique et en prenant un angle de frottement sur le mur δ = Ø' = Ø'crit; sur les deux cotés du mur. L'étude de ces cas tend a confirmer que les procédures données dans le BS 8002 doivent donner des profondeurs d'enfoncement des murs qui sont suffisantes pour se protéger des mouvements excessifs lors de la phase de travaux, pour vu que la géométrie la plus coûteuse, le chargement et les conditions hydrogéologiques soient correctement identifiés et que la résistance du sol soft choisie avec soin.