Horizantal drainage during consolidation: insights gained from analyses of a simple problem

Abstract

This paper analyses consolidation with radial drainage to concentric inner and outer fixed drainage boundaries. An analysis in which coupling between flow of pore water and effective stress change is ignored gives results that are not physically reasonable. An exact closed form solution can be developed to the equation of radial pore water diffusion in an elastic material and the results of this analysis are compared with a third, finite element analysis, using an elastic-plastic description of the soil. Elastic and elastic-plastic analyses are compared in terms of isochrones of pore pressure, radial displacement and stress change within the sample, and in terms of the strain and stress paths followed by different soil elements in the consolidating clay. Non-uniformities of effective stress state, and hence of soil stiffness, can develop during consolidation; the pattern of deformations that develops is completely dominated by the occurrence of plastic strains. The oedometer should not be regarded as a single element test. The results of the analyses are in principle specific to the boundary conditions assumed, but some general aspects of soil behaviour are identified and observations are made on the implications of the results for geotechnical design. L'article présente une analyse de la consolidation avec drainage radial jusqu'à des limites de drainage intérieure et extérieure fixes. Une analyse qui ignore le couplage entre l'écoulement de l'eau interstitielle et des changements dans la contrainte effective donnent des résultats qui ne sont pas physiquement raisonnable. L'équation de la diffusion radiale de l'eau interstitielle dans une matière élastique peut être résolue dans une forme fermée précise. Les résultats de cette analyse sont comparés avec une analyse à éléments finis employant une description élastico-plastique pour l'argile. Les analyses élastique et élastico-plastique sont comparées en ce qui concerne les isochrones de la pression de l'eau interstitielle, le déplacement radial, le changement des contraintes dans l'échantillon et aussi les chemins de contrainte et de déformation suivis par de différents éléments dans l'argile pendant la consolidation. Un état de contrainte effective et par conséquent de rigidité de sol qui est non-uniforme peut se développer au cours de la consolidation. Le système de déformations qui se développe est régi par la présence de contraintes plastiques. Il ne faut pas considérer l'oedomètre comme un essai à élément simple. En principe les résultats de l'analyse sont spécifiques pour les conditions limites, mais des aspects généraux du comportement des sols sont identifiés et des observations faites concernant les implications des résultats pour la construction géotechnique.