A study of consolidation using mechanical and electromagnetic waves

Abstract

Consolidation has been a central topic of research in geotechnical engineering. Most studies have been conducted in oedometric cells, and have attempted to assess the influence of multiple material and loading parameters. Yet, the characterization of internal processes and the role of mechanical and electrical interparticle forces still remains elusive. In this study, we monitored the consolidation of bentonite, kaolinite and silica flour with small-perturbation electromagnetic and mechanical waves. The resulting standard consolidation test data, and the simultaneously acquired wave data are presented. Macro-observations are interpreted at the micro-level. Changes in the high-frequency complex dielectric permittivity during the consolidation of kaolinite indicate a decrease in free water inside the specimen, and no changes in double-layer polarizability. The velocity of propagation of shear waves clearly reflects the transfer of load from pore pressure to skeletal stresses, and the corresponding increase in stiffness during consolidation. Velocity—stress relationships reflect contact behaviour, changes in mechanical and electrostatic interparticle forces and modifications in microfabric. The small-strain shear stiffness drops immediately on loading because of spatial variations in pore pressure; the time required to recover the initial stiffness depends on soil permeability. Results indicate the potential for development of innovative wave-based monitoring techniques for field applications. Les recherches sur la consolidation ont une importance majeure en génie géotechnique. La plupart des études reposent sur Pemploi d'oedomètres et visent à évaluer Pinfluence des matériaux et des charges dans une multiplicité de paramètres. Toutefois, il reste difficile de caractériser les processus internes et le rôle des forces mécaniques et électriques entre les pardcules. Dans notre étude, nous avons observé la consolidation de bentonite, de kaolinite et de poudre de silice sous Peffet de petites ondes de perturbation électromagnétiques et mécaniques. Nous présentons les résultats d'essais standard de consolidation et les données relevées parallélement sur les ondes. Les macro-observations font Pobjet d'une micro-interprétation. Les variations de permittivité diélectrique complexe hautes feéuences pendant la consolidation de la kaolinite indlquent une diminution Wean gravitaire dans l'eprouvette, mais aucun changement de la polarisabilité en deux couches. La vitesse de propagation des ondes de cisaillement révèle clairement que la pression interstitielle se transforme en tensions qui viennent solliciter le squelette et que la rigidit6 augmente de fa¸on correspondante pendant la consolidation. Les rapports vitesse—contrainte expriment le comportement de contact, le changement des forces mécaniques et électrostatiques entre les pardcules, et les modifications de la microstructure. La résistance aux petites déformations de cisaillement chute immédiatement au chargement en raison des variations spatiales de la pression interstitielle. Le temps nécessaire pour retourner à la rigidité initiale dépend de la perméabilité du sol. Les résultats donnent à penser qu'il y aurait lieu de mettre au point des techniques novatrices de contr&cicr;le de la consolidation basées sur la propagation des ondes, qui puissent étre appliquées sur le terrain.