Hydro-mechanical behaviour of compacted binary mixtures : an experimental study
Authors:   , Mirsalehi Sajjad 
Published: July 2023

This research focusses on an experimental investigation on the hydro-mechanical behaviour of binary ‘all-one’ mixtures. These mixtures –originated from the excavation of selected materials during earthwork constructions– are basically constituted by large rock fragments immersed in a matrix with dominant finer soil fraction. These materials, which bridge the gap between coarser rockfill materials and soils, are widely accepted in different national standards for earthworks, such as dams, levees, railway and road embankments. Despite their practical interest, these mixtures have not been widely studied. The emphasis of the current study has been mainly placed on the influence of the properties of the fragments (unconfined shear strength) and the void ratio of the finer matrix to explain the hydro-mechanical behaviour of these mixtures along different stress paths, as well as to better assess the role played by fragment breakage aspects. Different mass ratios of fragments have been initially studied, which allowed selecting a matrix proportion able to fill nearly all inter-fragments voids (interactive-underfilled packing), as well as still ensuring good compaction properties (close to minimum dry density for specified water content). A constant fragment mass ratio of 40% with particles between 19 mm and 38.5 mm has been finally selected to perform a systematic experimental campaign with fragments of different uniaxial compressive strengths, ranging from natural carbonated and low-strength aggregates to high-strength slate fragments. This fixed fragment ratio has ensured reaching a mixture, in which both the density of the fine matrix and the strength of large fragments are controlling the coupled hydro-mechanical response. A procedure for fabricating artificial and cement-based fragments has been also proposed to allow obtaining an intermediate uniaxial compressive strength and thus to better fill the gap between these extreme low-strength and high-strength fragments. A real ‘all-one’ mixture retrieved under as-compacted conditions during the construction of Albagés dam (Lleida, Spain) has been also considered to compare main hydro-mechanical features with the mixtures prepared under laboratory conditions. The experimental campaign using a large-oedometer cell has included loading / unloading cycles under saturated and unsaturated conditions, as well as soaking tests at constant vertical stress. The study with different fragment strengths has been mainly focused on analysing the compressibility of the mixture on loading at different hydraulic states, the collapsible response on soaking at constant vertical stress, as well as the water retention and saturated permeability properties. These macroscopic phenomenological results have been complemented by a microstructural description that included aspects of fragment breakage, fractal dimension changes of the particle size distribution, as well as energy transfer aspects (work input per unit volume used to densify the matrix and to break large fragments). The results have shown the important role played by the strength of the fragments to achieve better compaction properties when using high-strength fragments, which allowed reducing the compressibility on loading and the collapsibility on soaking, as well as ensuring a more efficient transfer of the work input to densify the matrix (instead of breaking particles).
Esta investigación se centra en el estudio experimental del comportamiento hidromecánico de mezclas binarias de "todo-uno". Estas mezclas -originadas a partir de la excavación de materiales seleccionados durante las construcciones de movimiento de tierras- están básicamente constituidas por grandes fragmentos de roca inmersos en una matriz con una fracción de suelo dominante. Estos materiales, que cubren la brecha entre los materiales de escolleras más gruesos y los suelos, son ampliamente aceptados en diferentes normas nacionales para estructuras de tierras, como presas, diques, y terraplenes para ferrocarriles y carreteras. A pesar de su interés práctico, estas mezclas no han sido ampliamente estudiadas. El énfasis del presente estudio se ha centrado principalmente en la influencia de las propiedades de los fragmentos (resistencia a la compresión uniaxial) y la relación de poros de la matriz más fina para explicar el comportamiento hidromecánico de estas mezclas a lo largo de diferentes trayectorias de tensión, así como para evaluar mejor el papel desempeñado por la rotura de fragmentos. Se han estudiado inicialmente diferentes proporciones másicas de fragmentos, lo que ha permitido seleccionar una proporción de matriz capaz de llenar casi todos los vacíos entre fragmentos (empaquetamiento interactivo casi lleno) e incluso garantizar buenas propiedades de compactación (cercano a la densidad seca mínima para un contenido de agua específico). Se seleccionó finalmente una relación de masa de fragmentos constante del 40% con partículas entre 19 mm y 38.5 mm para realizar una campaña experimental sistemática con fragmentos de diferentes resistencias a la compresión uniaxial, que van desde agregados carbonatados naturalmente y de baja resistencia hasta fragmentos de pizarra de elevada resistencia. Esta proporción de fragmentos prefijada ha permitido alcanzar una mezcla, en la que tanto la densidad de la matriz fina como la resistencia de los fragmentos controlen la respuesta hidromecánica acoplada. También se ha propuesto un procedimiento para fabricar fragmentos artificiales a base de cemento para permitir la obtención de una resistencia a la compresión uniaxial intermedia y así rellenar mejor el rango entre estos fragmentos de baja y elevada resistencia. También se ha considerado una mezcla real de "todo uno" extraída después de compactación durante la construcción de la presa de Albagés (Lleida, España) para comparar sus principales características hidromecánicas con las mezclas preparadas en condiciones de laboratorio. La campaña experimental que utiliza una célula edométrica de grandes dimensiones ha incluido ciclos de carga/descarga en condiciones saturadas y parcialmente saturadas, así como ensayos de inundación a tensión vertical constante. El estudio con fragmentos de diferentes resistencias se ha centrado principalmente en analizar la compresibilidad de la mezcla ante carga a diferentes estados hidráulicos, la respuesta al colapso durante inundación a tensión vertical constante, así como la retención de agua y las propiedades de permeabilidad saturada. Estos resultados fenomenológicos macroscópicos se han complementado con una descripción microestructural que incluye aspectos de rotura de fragmentos, cambios de dimensiones fractales de la distribución de tamaños de partículas, así como aspectos de transferencia de energía (trabajo por unidad de volumen aportado para densificar la matriz y consumido para romper los fragmentos grandes). Los resultados han demostrado el importante papel desempeñado por la resistencia de los fragmentos para lograr mejores propiedades de compactación al usar fragmentos de alta resistencia, que permiten reducir la compresibilidad ante carga y el colapso durante inundación, así como asegurar una transferencia de energía más eficiente para densificar la matriz (en lugar de romper partículas).