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Double layer theory and compressibility of clays
Authors: Sridharan A. , Jayadeva M. S. 
Published: October 2009

The compressibility of pure clays under external load depends not only on the negative charges and crystallite morphology of clay minerals but also on the ion concentration, cation valency, dielectric constant and temperature of the pore fluid. The electrical double layer theory has been used by several investigators to derive the void ratio-pressure relationship of clays. This Paper presents a detailed study with regard to the Gouy—Chapman theory and the compressibility of clays. The relationship between the distance between parallel clay platelets and external pressure is shown to be almost independent of clay type. The surface area represents the clay type in showing the variations in void ratio-pressure (e–p) relationships of different clays. When the concentration of cations in the pore fluid is low, the log e–log p relationship is linear, and the compression index is a direct function of void ratio and independent of clay type. Examination of experimental results of other workers shows the validity of the Gouy—Chapman theory for predicting the e–p relationship qualitatively and, under certain circumstances, quantitatively. La compressibilité des argiles pures sous charge extérieure dépend non seulement des propriétés mécaniques des minéraux d'argile mais aussi des caractéristiques physicochimiques du fluide interstitiel. La théorie électrique des couches doubles a été employée par plusieurs rechercheurs pour représenter le rapport indice des vides/pression des argiles. Cet article offre une étude détaillée de la théorie Gouy-Chapman appliquée à la compressibilité des argiles. Le rapport entre la distance séparant les feuillets parallèles de l'argile et la pression extérieure est presque indépendant du type de sol. La zone superficielle représente le type d'argile, car elle indique les variations du rapport indice des vides/pressions des différentes argiles. Lorsque la concentration des cations dans le fluide interstitiel est basse le rapport log e/log p est linéaire et l'indice de compression est une fonction directe de l'indice des vides. Le dépouillement des résultats expérimentaux démontre que la théorie Gouy-Chapman est valable pour prédire le rapport e/p qualitativement et aussi quantitativement dans certaines circonstances.
Mechanisms controlling the secondary compression of clays
Authors: Sridharan A. , Rao A. S. 
Published: October 2009

This Paper deals with the mechanism controlling the one-dimensional secondary compression behaviour of saturated clay soils. The behaviour of the clays has been explained in the light of the modified effective stress concept which takes into consideration the interparticle attractive and repulsive forces. A non-dimensional secondary compression coefficient is defined as the ratio of the secondary compression per unit of log (time) to the final thickness of the sample for any pressure increment. It is shown that the secondary compression coefficient is directly related to the strength of soil skeleton at particle level which is governed by the modified effective stress concept. Seven organic fluids, water and air of different dielectric properties were used to vary the interparticle forces in the one-dimensional consolidation tests. To confirm the nature of the mechanism, tests were also conducted in which load increments, load increment ratio and void ratio were varied. The rectangular hyperbola method is used to identify the magnitude of secondary compression. The experimental results show that the secondary compression coefficient decreases with increase in effective stress (or strength), with decrease in pressure increment and with a decrease in void ratio. Le présent article traite du mécanisme régissant le comportement en compression secondaire uni–dimensionnelle de sols argileux saturés. Le comportement des argiles est expliqué en fonction du concept de contrainte effective modifié qui tient compte des forces d'attraction et de répulsion interparticulaires. Un coefficient de compression secondaire non–dimensionnel est défini comme étant le rapport de la compression secondaire par unité de log (temps) et de l'épaisseur finale de l'ećchantillon pour tout incrément de pression. Il est démontré que le coefficient de compression secondaire est directement fonction de la résistance du squelette du sol au niveau particulaire, laquelle est régie par le concept de contrainte effective modifié. Sept fluides organiques, de l'eau et de l'air ayant des propriétés diélectriques différentes ont été utilisés en vue de faire varier les forces interparticulaires darts le cadre des effets de consolidation uni-dimensionnelle. Afin de confirmer la nature du mécanisme, d'autres essais ont également été effectués en faisant varier les incréments de charge, le rapport des incréments de charge et le rapport des vides. La méthode de l'hyperbole rectangulaire a servi à déterminer l'importance de la compression secondaire. Les résultats expérimentaux démontrent que le coefficient de compression secondaire diminue en fonction de l'augmentation de la contrainte effective (ou de la résistance), de la diminution de l'incrément de pression et d'une diminution du rapport des vides.
Stability of unsupported axisymmetric excavations in soft clay
Authors: Britto A. M. , Kusakabe O. 
Published: October 2009

The stability of an axisymmetric excavation has been given little attention in the past, even though axisymmetric excavations are common in the construction industry. Analytical upper bound solutions for the failure of an unsupported axisymmetric excavation are presented for conditions where the soil is treated as a rigid plastic material, satisfying the Tresca yield criterion and possessing an uniform undrained shear strength. Wall failure mechanisms are found to be more critical than base failure and combined wall-base failure modes. The width of the failure zone at the surface for the critical wall mechanism is found to be 0·4 times the depth of the excavation. The stability number given by the present analyses is lower than that obtained previously. On ne s'est guère penché dans le passé sur l'étude de la stabilité d'excavations axisymétriques, bien que ce genre d'excavations soit courant la pratique. L'article présente des solutions analytiques de limite supérieure se rapportant à la rupture d'une excavation axisymétrique non étayée pour des conditions dans lesquelles le sol est considéré comme un matériau plastique rigide dont les propriétés sont conformes au critère d'écoulement de Tresca et qui possède une résistance au cisaillement non drainée uniforme. On constate que les mécanismes de rupture de paroi sont plus critiques que les ruptures profondes et les modes combinés de rupture profonde–rupture de paroi. Dans le cas du mécanisme critique de rupture de paroi, on note que la largeur de la zone de rupture en surface est égale à 0·4 fois la profondeur de l'excavation. Le facteur de sécurité au renversement indiqué dans ces analyses est inférieur à celui qui a été obtenu précédemment.
Geometric softening in triaxial tests on granular material
Authors: Drescher A. , Vardoulakis I. 
Published: October 2009

The Paper presents a study of the influence of the deformation mechanism on the softening characteristics of triaxial tests on granular material. The material is treated locally as rigid-plastic with a linear Mohr-Coulomb yield condition. The solutions for the mobilized apparent angle of internal friction are obtained by the approximate method of slices and are expressed in terms of collocational coefficients, defined for an appropriate choice of collocational points of the slices. The determination of the collocational coefficients from the underlying flow rules and mechanism of deformation is presented. The solutions are used for the analysis of experimental records by Deman (1975). The main conclusions are that softening in the triaxial test is due mainly to geometric effects and that moderately slender specimens with non-lubricated end platens yield unsafe values of the friction angle and give an erroneous indication of the extent of material softening. Dans cet article est étudiée l'influence des mécanismes de déformation sur le caractère radoucissant des tests triaxiaux conduits avec des matériaux pulvérulents. On admet que, localement, le matériau est rigide plastique avec une enveloppe de rupture de Mohr-Coulomb. Les solutions pour l'angle apparent de friction interne sont obtenues par la méthode approximative de l'équilibre par tranches planes. Elles sont exprimées en fonction de certains coefficients de collocation, determinés par un choix approprié des points de collocation le long des tranches. On traite en détail de la détermination des coefficients de collocation à partir de la loi d'écoulement et du mécanisme de déformation. Les solutions sont comparées aux données expérimentales précises de Deman (1975). Les conclusions principales de cette analyse sont les suivantes: le radoucissement observé lors de tests triaxiaux est dû principalement à des effets géométriques; et l'utilisation d'échantillons d'élancement modéré, de pair avec des disques de contact non lubrifiés conduit à une surévaluation de l'angle apparent de friction et à une conception erronée du radoucissment.
An analysis of the California bearing ratio test in saturated clays
Authors: Hight D. W. , Stevens M. G. H. 
Published: October 2009

An analysis of the California bearing ratio (CBR) test on saturated clays has been carried out using finite element techniques. The aim was to examine whether the test adequately reflected the stiffness of the clays as this is an important parameter in determiningthe performance of road pavements on clay subgrades. It is shown that the CBR does not correlate consistently with either strength or stiffness. In stiff intact clays, the CBR reflects only undrained strength; in clays compacted wet of optimum, the CBR depends on both stiffness and strength. Recommendations are made to use the full load-penetration curveas well as the CBR in the selection of subgrade or capping layer materials. Une analyse du CBR a été réalisé sur des argiles saturées en employant des techniques a elements finis. L'objectif était de découvrir si le test retltte de facon satisfaisante le rigidité des argiles, qui represénte un paramétre important pour déterminer le comportement des revêtements de route sur des terrains de fondation argileux. L'article démontre que le CBR n'est correle de maniere logique ni à la résistance ni à la rigidité. Dans des argiles rigides intactes le CBR n'indique que la résistance non-drainée, tandis que dans des argiles compactées d'humidité optimale le CBR dépend à la fois de la rigidité et de la profondeur. On recommandé d'utiliser la courbe de pénétration sous pleine charge aussi bien que le CBR dans la sélection des materiaux pour les sous couches ou pour les couches superficielle.
The influence of vegetation on the swelling and shrinking of clays in the United States of America
Authors: Holtz W. G. 
Published: October 2009

Soils subject to swelling and shrinking can be found in most of the states in the continental United States of America, extending from the east coast to the west coast and from the north to the south. The cost of damage to structures placed on these soils is said to exceed the combined cost of all damage caused by earthquakes, tornadoes, hurricanes and floods. A significant portion of volume changes caused by shrinking and swelling can be attributed to the desiccation effects of vegetation. In the more humid areas of the USA, the greater portion of shrinkage is caused by transpiration from vegetation. In the arid and semi-arid parts of the country, evaporation is a major factor but transpiration losses can be very significant, often adversely tipping the damage scale. The effects of vegetation on soil moisture changes are very complex. These involve trees, shrubs and grasses, which may not only draw moisture from the soils, but may also cause changes in soil temperatures, soil chemistry, infiltration of water and soil moisture patterns. Problems associated with the removal of trees and other vegetation should be recognized with regard to damage corrections, new land developments and the establishment of new landscaping. Des sols exposés au gonflage et au retrait se présentent dans la plupart des états composant les Etats-Unis d'Amérique. De tels sols sont `trouver sur une superficie s'étendant de la côte est à la côte ouest du continent, du nord jusqu'au sud. On dit que le coût des dégâts causés aux édifices bâtis sur de tels sols dépasse celui qui est le résultat de tous les dégâts produits par les tremblements de terre, les tornados, les ouragans et les inondations pris ensemble. Une proportion importante des changements volumétriques causés par le gonflage et le retrait peuvent s'attribuer aux effets dessicatifs de la végétation. Dans les régions plus humides des Etats-Unis la plupart du retrait est causée par la transpiration de la végétation. Dans les régions arides et demi-arides du pays l'évaporation représente un aspect d'importance primordiale, mais les pertes dues à la transpiration peuvent être considérables et sont souvent responsables du déséquilibre qui crée les dégâts. l'influence exercée par la végétation sur les changements dans l'humidité du sol sont très complexes. Les arbres, les buissons et les herbages peuvent non seulement tirer de l'humidité des sols, mais ils peuvent aussi produire des changements en ce qui concerne les temperatures et la chimie des sols, l'infiltration de l'eau et la distribution de l'humidité. Ceux qui sont chargés de corriger les causes éventuelles des dégâts ou d'ébaucher de nouveaux développements affectant les terrains devraient se rendre compte des problèmes entourant l'éloignement des arbres et d'autre végétation aussi bien que des problèmes qui surviennent lors de l'établissement d'un nouveau paysage.
Strength of jointed rock masses
Authors: Hoek E. 
Published: October 2009

Jointed rock masses comprise interlocking angular par- ticles or blocks of hard brittle material separated by discontinuity surfaces which may or may not be coated with weaker materials. The strength of such rock masses depends on the strength of the intact pieces and on their freedom of movement which, in turn, depends on the number, orientation, spacing and shear strength of the discontinuities. A complete understanding of this problem presents formidable theoretical and experi- mental problems and, hence, simplifying assumptions are required in order to provide a reasonable basis for estimating the strength of jointed rock masses for engineering design purposes. This Paper summarizes some of the basic information upon which such simplifying assumptions can be made. A simple empirical failure criterion is presented and its application in engineering design is illustrated by means of a number of practical examples. Des masses jointives de rochers comprennent des particules angulaires enchevêtrees ou des blocs de matiére dure et cassante séparés par des surfaces discontinues enrobées ou non de matiéres de moindre résistance. La résistance de masses rocheuses de ce genre dépend de la résistance des morceaux intacts et de leur liberté de mouvement, qui sont fonctions elles mêmes du nombre, de l'orientation, de I'icartement et de la résistance à la rupture au cisaillement des discontinuites. La compréhension compléte de ce probléme presente des difficultés considérables d'aspect théorique et expérimental, de sorte que des hypotheses simplificatrices sont nécessaires pour avoir une base raisonnable sur laquelle on peut estimer la resistance des masses jointives de rochers en vue de la construction. Cet article résume quelques-unes des données de base sur lesquelles de telles hypothéses simplificatrices peuvent être faites. Un critére de rupture empirique de nature trts simple est donné, son application à la construction étant illustrée au moyen dun certain nombre d'exemples pratiques.
Earthquake-induced stresses in a poro-elastic foundation supporting a rigid structure
Authors: Mynett A. E. , Mei C. C. 
Published: October 2009

A fluid-filled poro-elastic foundation supporting a long and rigid structure is subjected to a normally incident Rayleigh wave. For sufficiently low permeability and high frequency, the pore fluid and the solid matrix move together as a single phase, except in a thin boundary layer near the ground surface. Hence the dynamics of most of the porous medium is governed by the usual laws of elastodynamics with effective moduli which depend on both constituent phases. In this Paper, the dynamic stresses and pore pressure beneath the structure are studied. When the structure is small compared to the wave length, the neighbourhood of the structure is approximately quasi-static with time being a parameter only. The analytical method of Muskhelishvili in elastostatics is then applied to obtain the effective stresses near the structure. By mass conservation, the corresponding pore pressure is found immediately. Boundary layer corrections are added to complete the solution. The so-called outer solution presented herein apply also to the pure elastodynamic case without pores, and the method can be easily modified for any large-scale stresses in the background. Scattered waves, being small, are not considered. Une fondation poroélastique remplie de fluide et supportant une structure longue et rigide a été soumise à une onde de Rayleigh d'incidence normale. Pour une perméabilité suffisamment basse et une frequence suffisamment élevée le fluide interstitiel et la matrice solide se déplacent ensemble comme une seule phase, à l'exception d'une couche mince limite près de la surface du sol. La dynamique de la plupart des milieux poreux est régie par les lois usuelles de l'élastodynamique avec des modules effectifs qui dépendent des deux phases constitutives. Cet article étudie les contraintes dynamiques et la pression interstitielle au-dessous de la structure. Lorsque la structure est de grandeur réduite en comparaison de la longueur d'onde le voisinage de la structure est approximativement quasi-statique, le temps n'étant qu'un paramètre. La méthode analytique de Mushkelishvili dans l'elastostatique est alors appliquée pour obtenir les contraintes effectives près de la structure. La pression interstitielle correspondante est trouvée tout de suite par la conservation des masses. Des corrections des couches limites sont ajoutées pour compléter la solution. La solution dite extérieure présentée dans l'article s'applique aussi aux cas purement élasto-dynamiques sans des pores, et la méthode peut être facilement modifiée pour des contraintes considérables a l'arrière-plan. Les ondes disperses sont négligées, puisqu'elles sont de valeur réduite.
Static and dynamic lateral deflexion of piles in non-homogeneous soil stratum
Authors: Krishnan R. , Gazetas G. , Velez A. 
Published: October 2009

The Paper presents the results of a systematic parametric investigation of the static and dynamic response of single free-head piles embedded in a soil stratum, the modulus of which increases linearly with depth. The study is conducted by means of a dynamic finite-element formulation which accounts for the three-dimensionality of soil deformation while properly reproducing the radiation damping characteristics of the system. The soil is modelled as a linear hysteretic continuum and the excitation consists of a sinusoidally time-varying horizontal force or moment, applied at the pile head. Comprehensive plots of the results are presented in non-dimensional form, for a wide range of the most significant dimension-less groups of problem parameters. For the response of flexible piles, in particular, simple algebraic expressions are developed in terms of the ratio Ep/Es, of the pile and soil moduli. These expressions, being valid for several values of Poisson's ratios of the soil, compare favourably with results from previous studies and are expected to be useful in practical design calculations. Cet article donne les résultats de recherches paramétriques systématiques sur la réponse statique et dynamique des pieux libres en tête encastrés dans une couche de sol dont le module s'accroît linéairement avec la profondeur. L'étude est basée sur une formulation d'éléments finis dynamiques qui tient compte de la nature tridimensionelle de la déformation du sol, en même temps qu'elle reproduit de façon correcte les caractéristiques d'amortissement du systéme. Le sol est modehsé comme un continuum avec hystérśsise linéaire et l'excitation consiste en une force horizontale qui varie de façon sinusoidale dans le temps appliquée en tête du pieu. Les résultats sont tracés de maniére compréhensive sous une forme non-dimensionnelle pour une grande variété des groupes les plus importants des paramétres sans dimensions caractérisant le probléme. Plus particuliérement pour la réponse des pieux flexibles des expressions simples algébriques sont présentées en fonction du rapport Ep/Es des modules du pieu et du sol. Ces expressions, qui sont valables pour plusieurs valeurs du coefficient de Poisson pour le sol sont supérieures à celles fournies par les etudes précédentes, et on s'attend à ce qu'elles soient utiles pour els calculs pratiques des projects de fondations.
The development of a new hollow cylinder apparatus for investigating the effects of principal stress rotation in soils
Authors: Hight D. W. , Gens A. , Symes M. J. 
Published: October 2009

In the wall of a hollow cylindrical specimen under combined axial load, torque and internal and external radial pressures, the magnitude and direction of the major and minor principal stresses can be controlled together with the magnitude of the intermediate principal stress. This Paper describes both the design and principles of operation of a new hollow cylinder apparatus and its application to the investigation of principal stress rotation effects in sands and clays. A discussion is presented of the stress and strain nonuniformities which occur in a hollow cylinder specimen as a result of its curvature and of restraint at its ends. The manner in which these non-uniformities have been minimized, by selection of a sample geometry of 203 mm id. × 254 mm o.d. × 254 mm height and by the use of internal instrumentation, is described. The results of tests on dense Ham River sand are presented to demonstrate the capabilities of the apparatus. Dans la paroi d'un échantillon creux cylindrique sous une combination de charge axiale, de moment de torsion et de pressions radiales internes et externes la valeur et la direction des contraintes principales majeures et mineures peuvent être controlées en même temps que la valeur de la contrainte principale intermediaire. L'article décrit la construction et les principes de fonctionnement dun nouvel appareil creux cylindrique et son application a l'étude des effets de la rotation de la contrainte principale dans les sables et les argiles. Les non-uniformités de contrainte et de déformation sont discutées qui se produisent dans un échantillon creux cylindrique comme résultat de sa courbure et de la fixation à ses deux extrémités. On décrit méthode par laquelle ces non-uniformitts ont été réduites au minimum par l'adoption d'un échantillon ayant un diamètre interne de 203 mm, un diamtére externe de 254mm et une hauteur de 254 mm, en employant des appareils de mesure placés à l'intérieur. Les resultats de quelques essais faits sur du sable dense type Ham River sont présentés pour démontrer ce dont l'appareil est capable.