Consolidation of unsaturated soils including swelling and collapse behaviour

Abstract

A general model for the consolidation of unsaturated soil, which incorporates the latest experimental findings, is developed and applied to one-dimensional conditions. An effort is made to minimize restrictive assumptions whose influence is a priori unknown. A case of particular importance for foundation performance is undrained loading: a procedure is developed to compute the resulting initial air and water pore pressures which is consistent with a general volume change behaviour of the soil. It is shown that both fluid pressures rise initially to values very close to each other. The model developed is then applied to a few typical situations which serve to demonstrate its wide capabilities. First a case of nonlinear saturated consolidation is solved as a special case. Then an infiltration example is analysed. The evolution of the ‘wetting front’ and the surface movements (swelling in this case) are computed. Finally collapse behaviour upon wetting of an initially loaded soil is presented. For its proper use the model requires a knowledge of the state surfaces for volume change of the soil and water and air permeabilities of the soil. The model, which can handle any loading or environmental history as well as arbitrary soil heterogeneity, may also be used to investigate long-term conditions in natural soil deposits. Un modèle assez général de la consolidation de sols non saturés tenant compte des découvertes expérimentales les plus récentes, est mis au point et appliqué á des conditions unidimensionnelles. On a tenté de réuire au minimum les hypothèses restrictives dont l'influence est, a priori, inconnue. Le cas du chargement non drainé est particulièrement important pour le comportement de la fondation; une méthode est mise au point en vue de calculer les pressions intersticielles air-eau initiales résultantes, cette méthode étant compatible avec le comportement de changement général de volume du sol. On trouve que les deux pressions s'élèvent initialement jusqu'à des valeurs très proches l'une de l'autre. Le modèle mis au point est alors appliqué à quelques situations typiques dans le but de démontrer ses vastes possibilités. Tout d'abord, un cas spécial de consolidation saturée non linéaire est résolu. Ensuite, à titre de second exemple, un cas d'infiltration est analysé. L'évolution du ‘front de mouillage’ et les mouvements superficiels (gonflement en l'occurrence) sont calculés. Enfin, les auteurs présentent le cas d'un effondrement lors du mouillage d'un sol initialement chargé. L'emploi correct du modèle exige essentiellement une connaissance de 1'état des surfaces par rapport au changement de volume du sol, ainsi que de la perméabilité à l'eau et g l'air du sol. Le modéle, qui peut servir á simuler tout chargement ou variations du milieu ambiant dans le temps, de même qu'une hiétérogénéité arbitraire du sol, peut également servir â étudier les conditions à long terme de dépôts de terrains naturels.