Geotechnique

Water retention in soils as a function of suction is important in many disciplines, including engineering when assessing soil strength in infrastructure, and land management, agriculture and eco-hydrology. Water retention is described mathematically using a soil-water characteristic curve (SWCC), and many equations have been proposed which link degree of saturation, suction and voids ratio. They are empirical and phenomenological in origin, rarely incorporate both the particle size distribution and a description of pore geometry, and may not be valid for a soil in which pore surface area must remain constant and equal to particle surface area. Here, focusing on fractal soils, by setting particle and pore surface areas equal and constant, analytical derivations are presented linking all parameters defining SWCCs to particle and pore geometry information, size distributions, shapes, volumes and surface areas. Descriptions of how pore shapes and volumes depend on voids ratio are incorporated. The derivations show two key parameters, the air entry value and air expulsion value, are linked to the voids ratio in power laws, giving theoretical justification to what is observed in experiments. The power exponent is the fractal dimension of the particle size distribution. The voids ratio dependent SWCCs provide very good fits to data for six soils. This discovery means that a SWCC for a single voids ratio can be made applicable to any other voids ratio using just the particle size distribution. It is anticipated that extending these ideas to non-fractal soils may involve replacing the fractal size distributions with size distributions of other mathematical forms to capture size, shape, volume and surface area dependencies.

Identification of soil stratification is vital to geotechnical structural design and construction where the soil layer, soil type and properties are necessary inputs. Although methods are available for classifying the soil profiling using measured cone penetration test (CPT) data, the identification of soil stratification at unsampled locations is still difficult due to significant variability of natural soil. The identification is further complicated by the considerable uncertainties in the CPT measurements and soil classification methods. This study aims to develop a probabilistic method to predict soil stratification at unsampled locations by explicitly filtering the uncertainties in soil classification systems. An established Kriging interpolation technique is used to estimate the CPT parameters which are further interpreted to identify the soil stratification. Equations are derived to quantify the degree of uncertainties reduced by this method. The approaches are illustrated using a database of 26 CPT tests recently sourced from a dike near Ballina, Australia. Results show that the majority of the uncertainties in the soil parameters are screened by a soil classification index. The remaining uncertainties are further filtered by the soil classification systems. A clear stratification with a high degree of confidence is obtained in both horizontal plane and vertical unsampled locations, which shows excellent agreement with the existing CPT tests. This study provides a methodology to clearly identify the soil strata and reduce the uncertainties in prediction of design properties, paving the way for a more cost-effective geotechnical design.

Cơ chế cơ học của các loại đất sét bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi thành phần của chất lỏng trong lỗ rỗng. Hơn nữa, việc tiếp xúc với các chất lỏng khác với chất lỏng trong lỗ rỗng có thể tạo ra một giai đoạn tạm thời trong đó các loại đất sét trải qua sự thay đổi thể tích đáng kể. Mục tiêu của bài báo này là điều tra những hiện tượng này và nguyên nhân của chúng. Để thực hiện điều này, một số lượng lớn mẫu ponza bentonite (chủ yếu được cấu thành từ Namontmorillonite) đã được bão hòa nước và tiếp xúc luân phiên với nước cất và với các dung dịch NaCl, KCl hoặc CaCl₂ bão hòa trong quá trình thử nghiệm cắt trực tiếp và thử nghiệm oedometer trong phòng thí nghiệm.

Việc tiếp xúc với bất kỳ một trong ba chất điện phân này đã làm cho các mẫu bị nén lại, giảm khả năng biến dạng và làm tăng mạnh độ bền cắt dư. Khi đạt trạng thái cân bằng, hành vi cơ học trở nên rất giống với các mẫu đã được chuẩn bị trực tiếp bằng dung dịch muối thích hợp làm chất lỏng trong lỗ rỗng. Đối với cả hai loại mẫu (tức là những mẫu chuẩn bị với chất điện phân và những mẫu tiếp xúc với nó), tác động của NaCl đều có thể đảo ngược khi mẫu được tiếp xúc lại với nước, trong khi các tác động của KCl và CaCl₂ vẫn tồn tại ngay cả sau vài tháng thử nghiệm liên tục.

Các kết quả thử nghiệm nhất quán với giả thuyết rằng sự thay đổi trong độ dày của lớp màng khuếch tán đã được tạo ra bởi sự khuếch tán của các ion vào hoặc ra khỏi đất sét. Phân tích nhiễu xạ X-quang cho thấy, trong các trường hợp KCl và CaCl₂, sự khuếch tán vào trong đã dẫn đến sự trao đổi ion. Do đó, sự giảm của lớp màng khuếch tán là vĩnh viễn, trong các điều kiện thí nghiệm đã cho, và khiến các hiện tượng thẩm thấu tiếp theo gần như không đáng kể.

Người ta nghi ngờ rằng trạng thái nén của các loại đất sét nén chặt được sử dụng làm rào chắn kỹ thuật cho việc xử lý chất thải hạt nhân là phụ thuộc vào thời gian, và rằng có thể có sự thay đổi tiếp theo trong vật liệu, ngay cả khi độ ẩm và mật độ không đổi. Bài báo này trình bày một cuộc điều tra về các thay đổi vi cấu trúc phụ thuộc vào thời gian của bentonite MX80 được nén ở các mật độ và độ ẩm khác nhau. Cuộc điều tra vi cấu trúc dựa trên các phép đo phân bố kích thước lỗ mao quản bằng phương pháp xâm nhập thủy ngân và hiển vi điện tử quét (SEM). Các kết quả thu được từ các nhà nghiên cứu khác bằng cách sử dụng phương pháp tán xạ tia X ở góc thấp cũng được sử dụng. Các mẫu nén tĩnh của MX80 đã được giữ ở thể tích và độ ẩm không đổi trong các khoảng thời gian khác nhau (1, 30 và 90 ngày) trước khi thực hiện xâm nhập thủy ngân và điều tra vi cấu trúc SEM. Một sự thay đổi đáng kể trong vi cấu trúc theo thời gian đã được quan sát, được đặc trưng bởi sự giảm bớt độ rỗng giữa các hạt và sự gia tăng tính rỗng rất mỏng không bị xâm nhập bởi thủy ngân (r < 3·7 nm). Quan sát trước liên quan đến việc lấp đầy các lỗ mao quản lớn giữa các hạt thông qua sự phồng lên, và quan sát sau liên quan đến các thay đổi xảy ra trong các tinh thể khi sự hút nước bị giảm. Những thay đổi này được giải thích dưới ánh sáng của một cuộc điều tra được thực hiện trên các mẫu tương tự bằng phương pháp tán xạ tia X ở góc thấp. Những thay đổi bên trong các tinh thể được điều chỉnh bởi sự xếp lớp dần dần của các phân tử nước giữa các lớp bên trong các hạt cùng với sự phân chia của các hạt, tạo nên một độ rỗng giữa các hạt phát triển bên trong các tinh thể.

This paper proposes an alternative mechanism of pile failure in liquefiable deposits during earthquakes. This failure mechanism, based on pile buckling, is formulated by back-analysing 14 case histories of pile foundation performance during earthquakes and verified using dynamic centrifuge tests. A new parameter, the slenderness ratio of a pile, is introduced to classify pile performance in liquefiable soils. This parameter fits very well both the reported case histories and the centrifuge test results.

Dữ liệu mở rộng về độ bền và độ giãn nở của 17 loại cát trong môi trường biến dạng đối xứng hoặc phẳng tại các mức độ đậm đặc và áp suất giới hạn khác nhau đã được tổng hợp. Góc trạng thái tới hạn của kháng cắt của đất, khi đất chịu cắt ở thể tích hằng định, chủ yếu là hàm của khoáng vật học và có thể dễ dàng xác định bằng thực nghiệm trong phạm vi sai số khoảng 1°, thường là khoảng 33° đối với thạch anh và 40° đối với fenspat. Góc cắt bổ sung của đất ‘đậm đặc’ liên quan đến tốc độ giãn nở của nó và sau đó là tỷ lệ mật độ tương đối và ứng suất hiệu quả trung bình mới, kết hợp trong một chỉ số độ giãn nở tương đối mới. Dữ liệu của ø′_max – ø′_crit trong môi trường biến dạng ba trục hoặc phẳng được tách riêng trong một phạm vi khoảng 2°, nhưng độ bền của một số loại cát bị đánh giá thấp trong phạm vi 1000–10000 kN/m² do sự tiếp tục giãn nở của hạt chống nghiền nát của chúng. Các hậu quả thực tiễn của những mối quan hệ mới này đã được đánh giá, liên quan đến các phương pháp thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và hiện trường.

Tác giả phân tích nhiều dữ liệu về độ bền và giãn nở của 17 loại cát dưới biến dạng phẳng hoặc đối xứng với các mức đậm đặc và áp suất khác nhau. Góc kháng cắt trong trạng thái tới hạn của đất khi chịu cắt với thể tích không đổi chủ yếu là hàm của khoáng vật học và có thể dễ dàng xác định với sai số 1°, như là 33° đối với thạch anh và 40° đối với fenspat. Góc bổ sung của đất đậm đặc phụ thuộc vào tốc độ giãn nở của nó cùng với tỷ lệ mật độ tương đối và ứng suất hiệu quả trung bình, được kết hợp trong một chỉ số giãn nở tương đối mới. Dữ liệu của ø′_max – ø′_crit trong môi trường biến dạng phẳng hoặc ba trục được tách biệt trong phạm vi khoảng 2°, mặc dù độ bền của một số loại cát bị đánh giá thấp trong khoảng từ 1000 – 10000 kN/m² do sự chịu đựng gây ra bởi nghiền nát hạt của chúng. Bài báo đánh giá hậu quả thực tiễn của những mối quan hệ mới này đối với các phương pháp thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và hiện trường.