Experimental and numerical studies of the hydromechanical behaviour of a natural unsaturated swelling soil

Author： Nowamooz H. Mrad M. Abdallah A. Masrouri F.

ISSN： 1208-6010

Source： Canadian Geotechnical Journal, Vol.46, Iss.4, 2009-04, pp. : 393-410

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Abstract

This paper presents experimental studies performed on a natural swelling soil. Initially, the soil fabric was studied by a mercury porosimetry test, revealing a clear bimodal pore distribution that corresponds to micro- and macrostructural levels. The water-retention curve of the soil was then determined using two suction-imposition techniques: the osmotic and the vapour equilibrium methods. During the main testing program, three successive wetting and drying cycles were applied in a suction range between 0 and 2MPa under different values of constant vertical net stress using osmotic oedometers. The test samples showed cumulative swelling strains during the cycles. The volumetric strains reached an equilibrium stage, indicating an elastic behaviour of the samples at the end of the suction cycles. Based on these results, the parameters of an elastoplastic model for swelling unsaturated soils (BExM) were derived. This model, implemented in a finite element code (Code_Bright), was applied to a practical problem of a shallow foundation based on a swelling soil. This application studies the effects of hydraulic solicitations on settlements of this foundation. The results show the capacity of the model to solve complex hydromechanically coupled problems.Cet article rapporte un ensemble de résultats d’études expérimentales effectuées sur un matériau gonflant naturel. Dans un premier temps, un essai de porosimétrie au mercure a mis en évidence la double structure du sol étudié : la micro- et la macrostructure. Afin d’obtenir la courbe de rétention d’eau, deux méthodes d’imposition de succion ont été appliquées : la méthode osmotique pour les succions inférieures à 8,5MPa et la méthode de solutions salines pour les succions supérieures à 8,5MPa. Des essais œdomètriques ont également été effectués avec imposition de succion par la méthode osmotique. Plusieurs cycles de séchage–humidification entre 0 et 2MPa ont été appliqués sur des éprouvettes sous trois faibles charges mécaniques constantes (20, 40 et 60kPa). Pendant ces cycles, ces éprouvettes présentent un gonflement cumulé. Les résultats montrent que les déformations volumiques convergeant vers un état d’équilibre où le sol présente un comportement réversible. L’ensemble de ces résultats a permis d’obtenir les paramètres du modèle élastoplastique (BExM). Ce modèle implanté dans un code de calcul aux éléments finis (Code_Bright) est utilisé pour l’étude du comportement hydromécanique de ce sol naturel chargé par une semelle filante. L’objectif de cette étude est d’analyser l’influence des sollicitations hydriques sur les déplacements de cette fondation. Le modèle est capable d’aboutir à des résultats représentatifs de ce type de chargement hydromécanique complexe.