Sedimentation and self-weight consolidation: constitutive equations and numerical modelling

Abstract

The solution of the mass balance equation for sedimentation and consolidation in sediment suspensions requires closure equations for the parameters diffusivity, permeability and effective stress. Experimental data for non-cohesive and cohesive materials are discussed. New semi-empirical relations, which are a better approximation of reality, are proposed. The non-uniqueness for cohesive sediments is explained in terms of differences in aggregation history. The numerical implementation of the unifying theory for sedimentation and consolidation faces some serious problems. Particularly, the discontinuities require the addition of artificial diffusivity to create the necessary damping to avoid overshoot-induced oscillations. Improved stability is obtained using a special finite-element technique. The model is validated with several data sets and proves to predict the right behaviour and density profile evolution for both non-cohesive and cohesive sediments. The remaining differences between measured and computed density profiles for cohesive materials are attributed to the inadequacy of the currently used constitutive equations. La solution de ĺéquation ´équilibrage des masses pour la sédimentation et la consolidation dans les suspensions de sédiments nécessite des équations de clôture pour les paramètres suivants: diffusivité, perméabilité et contraintes effectives. Les données expérimentales relatives aux matières non cohésives et cohésives sont discutées et de nouveaux rapports semi-empiriques, représentant une meilleure approximation de la réalite, sont proposés. Le caractère non unique pour les sédiments cohésifs est expliqué sur le plan des différences dans ĺhistoire de ĺagrégation. Ĺexécudon numérique de la théorie de ĺunification pour la sédimentation et la consolidation se heurte à de graves difficultés. En particulier, les discondnuités nécessitent ĺadjonction ´une diffusivité ardficielle pour créer ĺamortissement nécessaire pour éviter le dépassement des oscillations induites. Une technique spéciale aux é1éments finis permet ´optimiser la stabilité. Le modèle est confirmé avec plusieurs ensembles de données et preuves afin de prévoir le comportement exact et ĺévolution du profil de densité pour les sédiments non cohésifs et cohésifs. Les différences restantes entre profils de densités mesurés et calculés pour le matériel cohésif sont attribuées à ĺinsuffisance des équations constitutives actuels.