A constitutive model for partially saturated soils

Abstract

The Paper presents a constitutive model for describing the stress-strain behaviour of partially saturated soils. The model is formulated within the framework of hardening plasticity using two independent sets of stress variables: the excess of total stress over air pressure and the suction. The model is able to represent, in a consistent and unified manner, many of the fundamental features of the behaviour of partially saturated soils which had been treated separately by previously proposed models. On reaching saturation, the model becomes a conventional critical state model. Because experimental evidence is still limited, the model has been kept as simple as possible in order to provide a basic framework from which extensions are possible. The model is intended for partially saturated soils which are slightly or moderately expansive. After formulating the model for isotropic and triaxial stress states, typical predictions are described and compared, in a qualitative way, with characteristic trends of the behaviour of partially saturated soils. Afterwards, the results of a number of suction-controlled laboratory tests on compacted kaolin and a sandy clay are used to evaluate the ability of the model to reproduce, quantitatively, observed behaviour. The agreement between observed and computed results is considered satisfactory and confirms the possibilities of reproducing the most important features of partially saturated soil behaviour using a simple general framework. L'article présente un modèle constitutif pour décrire le comportement contrainte/déformation des sols partiellement saturés. Le modèle est formulé dans le cadre de la plasticité qui s'endurcit, en uti-lisant deux jeux indépendants de variables de contrainte, c'est-à-dire l'excès de la contrainte totale sur la pression de Pair et la succion. Le modèle peut représenter d'une façon logique et unifiée beaucoup des caractéristiques fondamentales du comportement des sols partiellement saturés qui avaient été traités séparément dans des modèles proposés précédemment. Lorsque la saturation est atteinte le modèle devient un modèle conventionnel d'état critique. Comme les données expérimentales restent encore limitées, le modèle d'été simpliné le plus que possible, afin de fournir un cadre de base à partir duquel des extensions sont possibles. Le modèle convicnt à des sols partiellement saturés qui sont expansifs à un degré faible ou modéré. Le modèle est d'abord formulé pour des états de contrainte isotropes et triaxiaux. Puis l'article décrit des prédictions typiques et les compare de façon qualitative avec des tendances caractéristiques du comportement des sols partiellement saturés. Les résultats de quelques essais régis par la succion eftectués dans le laboratoire sur du kaolin compact et sur une argile sablonneuse sont utilisés afin d'evaluer la capacité du modèle de reproduire de façon quantitative le comportement observé. On considère que les résultats observés et calculés s'accordent bien et qu'ils confirment les possibilités de reproduire les caractéristiques les plus importantes du comportement des sols partiellement saturés par l'utilisation d'un cadre général très simple.