Mechanisms controlling volume change of saturated clays and the role of the effective stress concept

Abstract

Synopsis This investigation deals with the mechanisms con- trolling the one-dimensional volume change beha- viour of saturated kaolinite and montmorillonitic clays. An attempt has been made to explain the behaviour of the clays in the light of the modified effective stress concept which takes into considera- tion the interparticle electrical attractive and repul- sive forces. Eight organic pore fluids of different dielectric properties and water have been used to vary the interparticle forces in the one-dimensional consolidation tests. In order to further confirm the nature of the mechanisms, tests have also been con- ducted in which the existing pore fluid was replaced by another of different dielectric properties, to change the force system at interparticle level. The experimental results clearly indicate that the volume change behaviour of these clays is controlled basi- cally by two mechanisms which are governed by the modified effective stress concept. In mechanism 1, the volume change is controlled by the shearing resistance at interparticle level and in mechanism 2, primarily by the long range diffuse double layer repulsive forces. Although these effects operate simultaneously, the results indicate that mechanism 1 primarily governs the volume change behaviour of non-expanding lattice type clays like kaolinite, and mechanism 2, that of the expanding lattice type clays like montmorillonite. On étudie les mécanismes qui régissent le comportement au tours du changement de volume unidimensionel d'argiles à kaolinite et à montmorillonite saturées. On essaye d'expliquer le comportement de ces argiles en fonction du concept de contrainte effective modifiée, qui tient compte des forces électriques d'attraction et de répulsion. On s'est servi de huit fluides interstitiels organiques ayant des propriétés diélectriques différentes, ainsi que de I'eau, pour faire varier ces forces entre particules dans des essais de consolidation unidimensionelle. Pour confirmer la nature de ces mécanismes, on a également fait des essais au tours desquels le fluide interstitiel existant a été remplacé par un autre fluide ayant des propriétés diélectriques différentes, pour changer le système de forces au niveau des particules. Les résultats expérimentaux indiquent clairement que le comportement au tours du changement de volume de ces argiles dépend essentiellement de deux mécanismes qui sont régis par le concept de contrainte effective modifiee. Dans le premier mécanisme, le changement de volume est régi par la résistance au cisaillement au niveau des particules et dans le second mécanisme, par des forces de répulsion à plus grande distance dans la double couche diffuse. Bien que ces effets aient lieu en même temps, les résultats indiquent que le premier mécanisme régit principalement le changement de volume du type d'argiles à réseau non dilatant, comme la kaolinite, et le second mécanisme celui du type d'argiles à réseau dilatant comme la montmorillonite.