Amélioration des Sols - ISSMGE [PDF]

Session 12

Soil

I m p r o v e m e n t

Amélioration des Sols C hairm an C o-C ha irm an G eneral R e po rte r C o -R e p o rte r T e ch n ica l S e cre ta ry Panelists

H. C a m b e fo rt (France) J.A . Jim e n e z Salas (S pain) J.K . M itc h e ll (U SA) R.K. K atti (India) S. K nutsson (S w eden) O.G. Ingles (A u stra lia ), W . M a cke ch n ie (Z im ba bw e ), I. S tan cule scu (R om ania) T. Y am a no uch i (Japan)

H. Cambefort, Chairman INTRODUCTION Je suis avant tout un ingénieur qui a passé une grande partie de sa vie professionelle à se battre contre d i ­ verses anomalies de tous les sols possible et des é c o u ­ lements souterrains, pour ne pas parler des accidents. Cette activité, associée à l'étude des coulis d ' injec­ tion m'a conduit à une certaine philosophie dont les aspects d'ont rien d'original mais méritent d'être ra p ­ pelés : 1) les essais sur échantillons remaniés sont indispens­ ables pour a ccroître nos connaissances. Mais leurs ré­ sultats ne peuvent pas être appliqués directement aux sols réels, ou encore intacts, dont le squelette est différent. 2) tous les procêssus d'essais sont standardisés afin de permettre la c o m p araison des résultats, parce que ceuxci dép e n d e n t du mode opératoire. Et il est bien rare que celui-ci soit conforme à la réalité des cas étudiés. Les c a ractéristiques déduites des essais ne doivent donc être considérées que comme de bons ordres de grandeur. 3) dès qu'on est en présence de grains ultra-m i c r o s c o p i ­ ques, il faut raisonner en fonction de la p h ysico­ chimie des colloïdes. C'est très difficile et souvent o ublié quand on est imprégné de physique et de chimie classiques. 4) enfin la m a t h é m a t i q u e aussi savante soit-elle, est a n a logue à la machine à faire la saucisse. On ne trouve à la sortie quece que l'on a mis à l'entrée. Il est donc impératif d'avoir des hypothèses aussi exactes que possible. Il faut redouter leur simplification souvent nécessaires pour faciliter les calculs, ainsi que les hypothèses implicites évidentes pour le calculateur, comme par exemple, la structure uniquement granuleuse de toutes les argiles. Il est en effet bien difficile de prévoir si le passage dans la "machine" ne va pas conduire à des résultats peu conformes à la réalité. Ces simples remarques sont certainement plus importan­ tes pour l'amélioration des sols, que pour calculer une fondation. Dans ce dernier cas on a toujours le c o e fficient de sécurité qui pardonne bien des erreurs d'appréciation ou de calcul, tandis que dans le choix d'un procédé d'amélioration il ne faut pas faire d'erreur de principe. Ce sont les propriétés physiques des sols en place qui con d i t i o n n ent la méthode et ses limites d'application. Les procédés susceptibles d'être utilisés sont très nombreux. Un certain nombre d'entre eux n'a pas été re­ tenu pour cette session, parce que peu utilisés comme par exemple le noyage des fouilles creusées dans du loess ou trop bien connus comme le compactage par couches minces.

11 semble que parmi tous ces procédés, un seul résulte des théories de la Mécanique des sols. C'est celui qui consiste à exécuter des drains verticaux afin d'accé l é ­ rer la dissipation des surpressions d'eau interstiti e l ­ les mises en évidence par T e r z a g h i . Tous les autres p r o ­ viennent du sentiment, du bon sens ou encore de l'Art de l'ingénieur. C'est ainsi qu'il est évident qu'en di m i n u ­ ant le volume des vides par compactage ou en remplissant ceux-ci par injection avec un corps rigide, on ne peut qu'améliorer le sol. On peut aussi lui donner la rés i s ­ tance à la traction qui lui manque en lui adjoignant des armatures et, enfin, essayer de reproduire un sol naturel à peu près acceptable comme la marne par example, en introduisant des produits chimiques adéquats. Malheureusement, le bon sens ne suffit pas et l'absence de théorie se fait quelquefois nettement sentir. Par example: - il est arrivé plusieurs fois que les drains verticaux ontbien diminué la pression interstitielle, mais sans accélérer la vitesse de tassement (J.R. Lake - 1960). - à Linkoping, le remplissage compacté de petites tranches creusées pour la pose de canalisations à e n v i ­ ron 2 m de profondeur, a tassé de 5 à 8 cm en deux ou trois semaines, pour attendire par endroits 15 cm au bout de 18 mois (U. Bergdahl et al. 1979). - au nouveau port de Nice, la digue en construction s'est brutalement effondrée en provoquant un important raz-demarée local, et cela malgré le contrôle de l'évolution des pressions interstitielles. - l'efficacité du noyau argileux de petites digues en terre a disparu au bout de quelques mois (H.Cambefort 1976). Un example est donné dans la communication de F. van M. W a gener et al. qui indiquent comment la remise en état a pu se faire en utilisant du gypse. L'origine de ce phénomène est aussi rappelé dans la session 6 par P. Stone et a l . Cette énumération sommaire montre bien que si une a m é l i ­ oration des sols ne donne pas toujours entière satis f a c ­ tion, elle peut quelquefois provoquer une catastrophe, comme à Nice. Aussi est-il absolument impératif d'essayer de comprendre pourquoi il peut en être ainsi. Je vais donc aborder ce sujet important, quoique cela conduise à une introduction un peu longue. J'indique tout de suite que mon but est de mieux préciser la structure de sols cohérents en tenant compte du résultat de certains e s ­ sais de laboratoire. Double couche Il faut commencer par rappeler qu'il existe à la surface de contact d'un solide, immergé dans de l'eau, une pel l i ­ cule d'épaisseur microscopique qui n'a pas les mêmes propriétés que l'eau ambiante. C'est la double couche dont les Prof. Mitchell et Katti vous indiqueront les

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caractéristiques. On l'appelle souvent eau liée, et Terzaghi a v a i t pris pour elle l'image de la glace, ou plus e x a c t e m e n t d'une eau solide. Con t r a i r e m e n t à une idée répandue cette eau liée ne se r e ncontre pas qu'avec les petites particules. Ainsi avec des sables et graviers de 1 à 10 m m de diamètre, dont la surface spécifique est voisine de 6 cm2/g, le coe f f i ­ cient de p e rméabilité égal à 2.1 0_2 m/s avec un gradient de l'écoulement au moins égal à 5.10"3, est divisé par 2 quand le gradient de l'est par 10 (H. Cambefort 1948 et 1971). Une telle réduction ne peut provenir que de 1 'épaissement de la couche d'eau liée, consécutif à la diminution de la vitesse d'écoulement. Autrement dit, s uivant sa vitesse, le courant érode plus ou moins cette couche. Mais cette érosion ne semble pas pouvoir être totale si l'on juge par les essais de P. Habib (1953) qui a constaté qu'avec une argile remaniée au benzène, qui ne peut pas donner une double couche, 1 'écoulement de celui-ci était de 700 à 1000 fois plus rapide que celui de 1 'eau. Avec des grains de petites dimensions 1 'effet de la double couche devient prépondérant devant celui de la pesanteur. On le c o n s t ate en faisant sédimenter dans de l'eau des grains de quartz d'un diamètre quasi-uniforme de 4 microns. Le p o u r centage des vides est de 55%, alors qu'il est de 26%, soit à peu près la moitié, avec un e mpile m e n t de boulets (J. Duclaux - 1953). Gelée colloïdale En d iminuant de plus en plus la dimension des particules, il arrive un m o m e n t où la physique classique ne s'a p p ­ lique plus. Il faut la remplacer par la physico-chimie colloïdale. Par example l'or, qui est en métal inoxyd ­ able, à peu près inerte, est utilisé finement pulvérisé par les verriers de Murano, près de Venise, pour colorer le verre en rouge. Cette suspension ne présente rien de particulier, mais avec des grains ultra- m i c r o s c o ­ piques, obtenus par un procédé convenable, on a un h y d ­ rosol rouge rubis qui par adjonction d'un sel minéral, se t ransforme en une gelée violette qui passe au bleu (J. Duclaux - 1953). Il convi e n t de r e marquer que ce n'est pas la c o m p o s i ­ tion chimique des grains qui intervient, puisque l'or est inerte, mais la nature des ions de l'eau des pores. La floculation à l'origine de la gelée est provoquées en M é canique des Sols dans la détermination de l'Equiv alent de sable et au contraire évitée lors d'un essai de Sédimentométrie. Avec des gels de silicate de soude P. Luong et al. (1977) ont m o ntré que l'on réduisait leur fluage, ou e ncore que 1 'on a u g m e n tait leur durée de vie, en a u g ­ men t a n t le dosage du réactif, ce qui a pour effet de neutraliser de plus en plus la soude qui accompagne to u ­ jours le silicate. Les ions étant toujours de même n a ­ ture, seul leur nombre conditionne le fluage. C o m pressibilité Divers essais effectués sur quelques argiles par J.A. J imenez Salas (1953 et 1972) et par R. Genevois (1977) font apparaitre, en particulier, des compressibilitês différentes suivant la nature du liquide interstitiel qui c o n ditionne les c a ractéristiques de la double couche, dont l'importance est ainsi confirmée. Par ailleurs, d'après N.N. Maslow (cf. B. Félix 1980), le même tassement relatif, ou -encore le même degré de c onsolidation d'échantillons d'épaisseur H différ e n t e n é cessite une durée proportionnelle à une certaine puissance de H. Cette puissance égale à deux

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lorsque la consolidation est uniquement régie par la filtration de l'eau', comme dans le modèle de Terzaghi, serait nulle pour le fluage pur. Elle peut être q u e l ­ conque entre ces limites. Qui plus est, elle ne serait pas constante pour un sol donné, mais uniquement fon c ­ tion de son indice de consistance. On essayera, plus loin, de donner une explication à ces résultats qui montrent que les effets de l'expulsion d'eau et du fluage sont indissociables. On ne pourrait donc pas c a l ­ c uler le tassement en additionnant les tassements p a r ­ tiels provoqués par chacun des ces phénomènes. Fluage Dans leur communication sur le prêchargement H. Aboshi et al. montrent qu'à la fin de la consolidation p r i ­ maire, la pression des pores n'est pas annulée sur la t otalité de la hauteur de l'échantillon, comme le v o u d ­ rait la théorie classique. De plus les mesures faites lors du remplacement de la charge initiale par une c harge plus petite ne semblent pas pouvoir être inter­ prétées sans faire intervenir le fluage, qui se m a n i ­ feste indépendamment de la valeur de la pression int e r ­ stitielle, comme G. A. Léonards 1' observé en réduisant la valeur des charges appliquées à 1 'oedomètre au lieu de la doubler chaque fois. On ne peut plus alors faire la distinction entre c o n s o ­ lidation primaire et secondaire. Le fluage apparait bien avant que la pression des pores soit annulée. C'est ce qui peut expliquer pourquoi certain sols tassent à la même v i t e s s e , avec ou sans réduction de la pression in­ terstitielle, c'est-à-dire avec ou sans drains v e rt i ­ caux. On peut caractériser les essais de fluage de S.R. Meschyan en rappelant que le tassement en fonction du temps est progressif avec des charges faibles, alors qu'avec des charges fortes sa plus grande partie se p r o ­ duit relativement vite et n'augmente que lentement par la suite. Cela proviendrait d'une destruction de la structure du sol suivie par une reconstitution due à des effets d'adsorption, de thixotropie ou autres, alors que les faibles charges déformeraient un i q u e ­ ment le squelette. Quoiqu'il ne s'agisse pas de f l u a g e , cette différence de comportement explique l'efficacité du pilonnage intensif qui brise toutes les liaisons sans leur laisser le temps de se reconstituer, e t ~ f i nit par liquéfier l'argile. Les liaisons ne se rétablissent que lorsque le squelette est plus compact. On voit ainsi apparaître l'importance de la structure dont la simple considération permet d'expliquer certains a s ­ pects du fluage et l'efficacité de la consolidation dynamique qui n'ont aucun point commun. Modèles mécaniques Afin de mieux préciser les idées, on peut prendre des modèles mécaniques. Ce ne sont que des caricatures, mais elles ont l'avantage d'être très parlantes. Le modèle de Terzaghi est un corps de Kelvin-Voigt avec un ressort et un dash-pot en parallèle. Ce d e r ­ nier ne figure que l'expulsion d'eau interstitielle. Il faut donc ajouter un autre dash-pot en série pour faire apparaitre le fluage. Même ainsi complété ce modèle ne convient pas pour les essais de Meschyan. On peut alors considérer le corps de Schwedoff utilisé par plusieurs auteurs pour l'étude de la stabilité des versants. Ce modèle comporte un dash-pot et un patin en parallèle, système auquel est associé un ressort en série. Le patin a l'avantage de correspondre à la rupture du squelette sous les charges fortes. Mais il semble bien qu'il faille ajouter un dash-pot en parallèle avec le ressort pour retrouver tous les résultats des essais.

le yaourt, qui pratiquemment se liquéfie tout de suite.

Comme on le voit, on est rapidement amené à compliquer tous, ces modèles, ce qui réduit beaucoup leur intérêt. Nous ne retiendrons donc pour le moment qu'une c o n c l u ­ sion à la fois simple et très importante, à savoir: on n'a pas le droit de schématiser toutes les argiles avec un seul m o d è l e , surtout quand il est aussi simpli­ fié que celui de T e r z a g h i .

On peut penser que cette différence de comportement, qui se retrouve probablement avec les gelées argileuses, provient au moins en partie de la valeur de la synérèse de la gelée, c'est-à-dire de la facilité avec laquelle la phase liquide se sépare de la phase solide.

Structures de base

Argiles boulantes

Les diverses structures des sols cohérents ne peuvent provenir que de la dimension de leurs grains. On s'en rend compte en con s i d é rant les cas extrêmes.

On remarquera que le comportement du yaourt est tout à fait analogue à celui des argiles boulantes (ultra-sensibles ou quick-clays) qui d'après I. Th. Rosenqvist (1955) proviennent d'un lessivage de leur eau intersti­ tielle par l'eau douce. Liquéfiées par remaniement, une a djonction de chlorure de sodium leur redonne de la c o ­ hésion, ce qui montre l'importance de la double-couche. Pour expliquer ce comportement il suffit de supposer qu'au mo m e n t de la formation de l'argile les ions pré­ sents ont permis 1 'édification du squelette en château de cartes dont la stabilité n'est assurée que grâce à eux. La diminution de leur nombre par lessivage réduit l'intensité des forces de liaison et par suite la s t a ­ bilité du squelette. Une cause, ou une accumulation de causes, suffit alors pour provoquer l'écroulement de la structure, entraînant la liquéfaction du sol. La ru p ­ ture est brutale et affecte un grand volume de terre. Une étude détaillée de ce mode de rupture est faite par G. Aas dans la Session 11 de ce Congrès.

Avec des grains r e l ativement gros, les forces de liai­ son intergranulaires sont peu importantes devant la pesanteur et il se forme un squelette granuleux un peu semblable à celui d'un sable. Au c o ntraire lorsque les grains sont ultra-microscopiques les forces de liaison deviennent prépondérantes et les mi celles étant fortement soudées entre elles la structure granuleuse disparaît pour être remplacée par un assemb l a g e de flocons, qui constitue en réticule ri­ gide un peu analogue à une mousse. La dëssication d'un gel de silicate de soude montre cet aspect. On arrive ainsi aux gelées colloïdales dans lesquelles il suffit de quelques pour m i lle en volume, de matière solide pour qu'une rigidité soit m esurable (J. Duclaux). Les argiles de Mexico sont un très bel exemple de gelée argileuse. Leur teneur en eau de 300 à 400 %, c o r r e ­ spond à un volume de matière solide voisin de 10 % et non de quelques pour mille. Et c'est sans doute leur cohésion de l'ordre de 50 k Pa (0,5 bar) qui les empeche de se liquéfier lors des forts tremblements de terre, quoi q u e leur teneur en eau nettement supérieure à la limite de liquidité permette de les pomper quand on les a remaniées (C.B. Crawford - 1963). Les gelées argileuses pures étant rares, il nous a paru a musant de consi d é r e r quelques gelées extrèmment co u ­ rantes, comme par exemple le blanc de l'oeuf dur, le y a o u r t et la gelée de groseilles. On constate ainsi que le cohésion n'est pas uniquement due à la quantité de matière solide. Avec le blanc de l'oeuf et le y a o u r t qui contiennent, eux aussi, a p p ro xi­ m a t i v e m e n t 10 % de solide, la cohésion est d'environ 1,5 k Pa (15 millibar) pour l'oeuf et 0,2 k Pa (2 m i l l i ­ bar) pour le yaourt, soit 30 et 250 fois moins que les a rgiles de Mexico. Signalons au passage que la d e ssica­ tion du blanc d ' o e u f donne un résidu d'aspect co m p a r ­ able à celui du gel de silicate, mais beaucoup moins beau. La gelée de groseille a une cohésion comparable à celle du y a o u r t (0,25 k Pa), alors que son volume de matière solide est de l'ordre de 50% au lieu de 10%. Le sucre qui se trouve dans cètte gelée, et qui d'ailleurs, se c a r a ­ m é l i s e au m o m e n t de la dessication, doit se comporter comme une charge inerte. La cohésion des gelées prévenant de l'intensité des f o r ­ ces de liaisons et non de l'imbrication des grains, aucun frottement interne ne peut se manifester. Ainsi, avant la rupture des liaisons du squelette, les gelées sont u n i ­ quement c o h é r e n t e s . Il est très difficile de remanier le blanc d'oeuf, mais avec la gelée de groseilles on y arrive facilement avec une spatule. On obtient alors une agglomération de gr u ­ meaux dont la d i mension diminue' lorsque l'agitation a u g ­ mente. Le produit ainsi transformé possède encore une .certaine rigidité c ontrairement à ce qui se passe avec

58. Volyme 4

On explique ainsi l'extraordinaire glissement de Surte, près de Göteborg, où malgré une très petite déclivité de la surface du sol, quatre millions de mètres cubes de terre environ se sont déplacés en trois minutes sur 400 m de large et 600 m de long. Certaines maisons se sont déplacées de 150 m (B. Jakobson - 1952). Les vibrations dues au démarrage d'un train semblent avoir été la d e r ­ nière cause de ce gigantesque mouvement de terres. Le glissement de Rissa décrit par 0. Gregersen dans la Session 11 est tout à fait analogue, et a été déclanché par la surcharge d'un petit remblai. La grande analogie entre ces glissements et celui du nouveau port de Nice conduit à penser qu'à Nice on se trouvait aussi en présence d'argiles boulantes. Et ceci n'aurait rien d'étonnant car une nappe artésienne d'eau douce lessive actuellement ces argiles, comme l'on été autrefois les argiles scandinaves. Cet exemple montre que les argiles boulantes ne sont pas le propre de q u e l ­ ques pays, mais peuvent se trouver n'importe où; quand les conditions s'y prêtent. Il résulte de tout ceci une conséquence extrèmment impor­ tante. La consolidation des argiles boulantes ne peut pas se faire avec un préchargement qui déforme le squelette sans améliorer sa résistance, comme O.Q. Golder (1972) l'a constaté. Seuls: une adjonction d'ions convenables, un pilonnage intensif ou des explosions peuvent réor g a ­ niser la structure et ainsi supprimer son instabilité latente, à moins que l'on utilise des colonnes balastées pour réduire l'effet des surcharges. Structure réelles Ces deux structures, l'une granuleuse, l'autre en gelée constituent des cas extrêmes dont 1 'association en p r o ­ portions diverses conditionne les propriétés des sols cohérents. Un exemple simple est fourni par les loess et certains limons non saturés, dans lesquels les grains sont c o l ­ lés par un peu de gelée qui se ramollit en présence d'eau. L'intensité des forces de liaison diminue et sous l'effet de la pesanteur ou d'une surcharge le s q u e ­ lette se réorganise en provoquant un tassement souvent

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important. On e x p lique ainsi la consolidation obtenue en noyant des f o u i l l e s . On peut aussi, à l'image de certaines gelées d'orange, avoir des grains r e lativement gros en suspension dans la gelée, et non en contact les uns aves les autres. Ce sont alors les propriétés de la gelée qui sont pré p o n ­ dérantes. Comme celles-ci dépendent de la teneur en eau, on comprend pourquoi Maslov a trouvé que l'indice de c o n s istance pouvait intervenir dans l'évolution de la consolidation. Courbe o e d ométrique Afin d 'i l lustrer la différence de comportement des deux structures de base, je prendrai la forme de la courbe oedométrique. Avec la structure granuleuse cette courbe est semblable à celle que Biarez a obtenu avec des graviers dont 1 'arrangement se modifie sous la charge, alors que la courbe des gelées de Mexico, qui doit c o r respondre à une rupture de flocons, a été re­ trouvée avec des billes de verre qui se brisent b r u ­ talement lorsque la charge appliquée dépasse une ce r ­ taine valeur. Cet oed o m è t r e sur les graviers est très intéressant, car il fait apparaître, dès le premier chargement, une pression de c onsolidation qui évidemment n'existe pas. Cette charge limite provient de l'imbrication des grains qui s'amplifie avec l'augmentation de la charge, c ondui s a n t ainsi à un échantillon apparamment surconso­ lidé. Par ailleurs, les gelées colloïdales ont une pression de gonfle m e n t égale à leur pression osmotique. Par exemple celle du caoutchouc en présence de chlo­ rure d'ethyle est supérieure à 0,7 M Pa (7 bar), et elle n'a rien à voir avec une pression de consolidation. On peut alors de demander si, pour un sol intact, dans lequel la gelée colloïdale n'est pas détruite, la c o n ­ sidération de l'état n ormalement consolidé est une bonne référence. En l 'abandonnant on est moins étonné par la sous c onsolidation des argiles de Tunis et par la s urconsolidation qui se m a nifeste avec le temps, comme l'a m o ntré Bjerrum. C'est la résistance du squelette^qui compte et non le degré de surconsolidation qui ne résulte que d'essais sur échantillons remaniés, soit volontairement, soit par la trop forte intensité d'une c onsolidation p r éliminaire qui écrase les f l o ­ cons . C ontraintes effectives et totales Pour continuer la comparaison on peut revenir aux m o ­ dèles mécaniques. Le squelette granuleux serait alors schématisé par le solide de Kelvin-Voigt et la gelée par celui de Schwedoff, par exemple, dont le gl i s s e ­ m e n t du patin simule la rupture des flocons. On arrive ainsi tout n aturellement au calcul des c o n ­ traintes effectives. Celles-ci sont évaluées à l'heure actuelle en se basant sur le solide de Kelvin-Voigt, alors que celui de Schwedoff, plus valable dans ce r ­ tains cas, justifie le calcul en contraintes totales, avant la rupture des flocons. D'ailleurs si la M é c a ­ nique des sols, avait eu à s'occuper de gelée de g r o ­ seilles, d'oeufs durs ou de yaourt, elle aurait mieux é tudié le fluage qui conditionne la résistance à long terme, et n'aurait jamais évalué la pression intersti­ tielle sans tenir compte de la raideur du squelette. Les mesures de Bje r r u m (1973) qui donnent une pression des pores voisine de la moitié de l'augmentation des contraintes verticales, montrent bien que le squelette n'est par toujours infiniment souple. On peut alors penser que la prise en compte de la raideur du sque­ lette a urait permis d'éviter la catastrophe de Nice.

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11 ne faut donc pas mettre en compétition le calcul en contraintes effectives, et celui en contraintes totales. Ce sont les propriétés du sol qui c o m m a n d e n t . On en a, depuis longtemps, la preuve avec la vérification de la stabilité de talus rompus, qui n'est à peu près satisfaisante qu'en considérant les contraintes totales dans certains cas, et les contraintes e f f e c ­ tives dans d'autres. Et pour expliquer pourquoi q u e l ­ quefois l'une et l'autre de ces méthodes ne c o n v i e n ­ nent pas je ferai appel au fluage ou même au critère de rupture adopté pour les sols. Il est, en effet, très possible qu'avec certains sols il faille considérer pour ce critère, non les contraintes, mais les d é ­ formations ou les distorsions qui, d'après Reiner c o n ­ viennent pour le solide de Kelvin. Déjà Crawford a trouvé qu'avec une argile de Leda la pression des pores sous charge constante augmentait proportionellement à la déformation axiale. De son coté LO a montré que la pression des pores était une fonction de la plus grande déformation principale, indépendante de la pression de consolidation, de 1 'anisotropie du sol, et de la durée d'application des charges. Enfin, le point de vue de l'ingénieur a été abordé par F.E. Barata et F. Danziger (Session 11) qui ébauchent une méthode de calcul faisant intervenir les déformations, afin de prévoir l'apparition des fissures, a n n o n c i a ­ trices des glissements, dans certaines roches altérées. Etude des structures Tous les curieux comportements, connus actuellement ne doivent pas être considérés comme de rares exceptions et il ne faut plus se c a ntonner dans les simplifica ­ tions des ancêtres célèbres, tels Coulomb ou Terzaghi, sous pretexte qu'elles ont permis à la Mécanique des sols de voir le jour. Ces anomalies ne sont qu ' a p p a r e n ­ tes. Elles font partie des propriétés de certains sols, dons l'étude conduira à subdiviser les sols cohérents en plusieurs sous catégories. Les distinctions telles que sols saturés ou non, plus ou moins surconsolidés, ou diaclasés sont secondaires puisque l'essentiel se trouve dans le comportement de la structure qui dépend des propriétés et de la quantité de gelée qui en fait éventuellement partie. Une telle étude n'est pas facile, car il faut trouver une m é thode pour définir les mélanges de gelée et de grains les plus caractéristiques. En principe la granulomêtrie doit permettre de déceler la gelée, si l'on admet avec Cuclaux que les grains colloïdaux ne d é ­ passent pas 0,4 microns. Malheureusement A. Demolon (1948) estime que "les méthodes par délayage peuvent laisser jusqu'à 60% de matière colloïdale sous forme d'agrégat". Le volume des grains est donc augmenté, au détriment de celui de la gelée. Pour s'affranchir de cet inconvénient il faut utiliser Tes ultra-sons comme moyen de dispersion (MiIlot), et avec la p i ­ pette d'Andreason on peut déterminer la granulométrie jusqu'à 0,05 micron à condition d'y consacrer huit jours. Si comme il le semble à l'heure actuelle l'essentiel se trouve dans la quantité de matière colloïdale et non dans sa granulométrie il suffit de m e s u r e r sa s u r ­ face spécifique, qui inversement proportionelle au diamètre des grains, augmente lorsque celui-ci d i m i ­ nue. A titre d'exemple voici quelques ordres de g r a n ­ deur: -

grains sphériques de 1 micron 2 m2/g kaolinite 20 m2/g illite 80 m2/g m o n tmorillonite 80 m2/g

Ces valeurs correspondent à la surface des grains, alors

que la m é t h o d e u t ilisant l'adsorption du bleu de m é t h y ­ lène donne la surface totale, 'c'est-à-dire la surface externe plus celle des feuillets constitutifs des micelles, quand l'eau peut circuler entre eux. On co n ­ state alors que la surface spécifique de l'illite n'est pas modifiée, celle de la kaolinite est doublée (40 m2/g) et celle de la m o n t m o r i llonite décuplée (800 m 2 / g ) . En ou tre suivant son mode d'interprétation cet essai au bleu de m é t h y l è n e donne la capacité d'échange de cations.

9 - DEM0L0N A. (1948) Dynamique du sol - Dunod - Paris

Enfin Tran Ngoc Lan (1980) a montré qu'il existait une excell e n t e c o r r élation entre le résultat de l'essai et l'indice de plasticité, tous les deux augmentant e n ­ semble. On peut alors penser que la mesure des Sur­ faces spécifiques externe et totale, associées à q u e l ­ ques analyses chimiques des micelles et de l'eau in­ terstitielle, p e r m ettront de mieux comprendre le c o m ­ p ortement des gelées. Mais on sera probablement amené aussi à inventer d'autres essais, comme l'on fait les japonais pour les sables, ainsi que l'expliqué le Prof. T. Mogami dans sa c onférence au Congrès de Tokyo.

12- GENEVOIS R. (1977) Chemical interactions on the compressibility of remoulded kaolin - IX IC0S0MEF (Tokyo) - 1/23

10- DUCLAUX J. (1953) Colloïdes et gels - Gauthier Villars - Paris 11- FELIX B. (1980) Le fluage des sols argileux. Etude bibliographique. Rapport de recherche Labo. P et Ch. No 93 mai 1980 (41 références bibliographiques)

13- G0LDER q.H. (1972) Tassements sans dissipation de la surpression inter­ stitielle - Bull. Labo. P et Ch. - Le comportement des sols avant la rupture. No. spécial Juin 1972. 14- HABIB P. (1953 La résistance au cisaillement des sols - Annales I.T.B.T.P. - Janv. 1953 (Sols et fondations XII)

En définitive, en c h erchant à faciliter le choix des procédés d'amélioration, et à déterminer leurs limites par raison d'économie, ou ce qui est plus important pour é viter des catastrophes, on est conduit à mieux définir la structure des sols, ce qui d'ailleurs ne peut être q u ' a v antageux pour les calculateurs.

15- JAKOBSON B. (1952) The landslide at Surte on the Gota River - Swedish Geotechnical Institute No. 5 - Stockholm

Vous voudrez bien excuser cette longue introduction due à l'importance du sujet, qui à mon avis, mérite que la discus s i o n qui va suivre soit dans la mesure du possible axée sur lui.

17- JIMENEZ-SALAS J.A. (1972) Quelques aspects fondamentaux de la déformabilité des sols - Bull. Labo P et Ch. - Le comportement des sols avant la rupture - No spécial juin 1972

B i b l i o graphie 1 - BERGDAHL U. - F0GELSTR0M R. - LARSSON K.G. LILJEKVIST P. (1979) How to limit the settlements in fills above pipe line systems - A p reliminary survey (en suédois) Swedish Geotechnical Institute No 7 2 - B J E R R U M L. - (1973) - Rapport général Session 4 VIII IC0S0MEF - (Moscou) - V o l .3 - p. III 3 - CAMBEFORT H. (1948) L'écou l e m e n t des liquides à travers les milieux pulvérulents - Travaux Juin 1948 - Traduction No. 51-3 - Corps of Engineers U.S. Army - Research Center W a terways E xperiment Station - Vicksburg MISSISSIPI

16- JIMENEZ-SALAS J.A. et SARRATOSA J.M. (1953) Compressibility of clays - III ICOSOMEF (Zurich) 2/25

18- LAKE J.R. (1960) Pore pressure and settlement measurements during small-scale and laboratory experiments to determine the effectiveness of vertical sand drains in peat Pore pressure and suction in soils - Butterworths Londres - p. 103 19- LU0NG P. - GANDA IS M. - ALLEMAND P. ( 1977) Comportement mécanique des sols injectés aux produits chimiques. Rev. Française de Géotechnique - No. 2 Oct. 1977 20- P H A N THI HANG - BRINDLEY G.W. (1970) M ethylene blue absorption by clay minerals. D e t e r m i ­ nation of surface areas and cation exchange cap a c i ­ ties - Clays and clay minerals - V o l . 18 p 203-212

4 - C A MBEFORT H. - (1979) Introduction à la G éotechnique - Eyrolles - Paris -

21- PILOT G. (1972) Rupture d'un remblai sur sols compressibles - Bull, des Labo des P. et Ch. - Sept Oct. 1972

5 - C A MBEFORT H. (1976) Ecrans d'éta n c h é i t é des digues - Ann. I.T.B.T.P. Dec. 1976 (Sols et fondations No 135)

22- ROSENQVIST I. Th (1955) Investigation in the clay electrolyte-water system - Norg. Geot.Inst. Publ No 9

6 - C A MBEFORT H. (1976-a) Eléments de r h éologie en Méchanique des sols Ann. I.T.B.T.P. mars 1976 Sols et fondations No. 129 (71 références bibliographiques)

23- ROSENQVIST I.Th. (1959) Physico-chemical properties of soils: soil-water systems - ASCE Journ. Soil Mech. Found. S.M. 2April 1959

7 - CRAWFORD C.B. (1963) Cohésion in an u n d isturbed sensitive clay G e otechnique 1963 - p. 132

24- S0DERBL0M R. (1957) Some investigations concerning salt in clay - IV ICOSOMEF (London) la/27

8 - CUISSET 0. (1979) Le potentiel é l e c t r ocinétique des argiles. Influ­ ence de la salinité - Bull, des Labo. des P et Ch. - Nov. dêc. 1979

25- TRAN NGOC LAN (1980) L'essai au bleu de méthylène - Bull, des Labo. des P. et Ch. - Mai Juin 1980

931

H. Cambefort, Chairman COMPLEMENT AU "STATE-OF-THE ART"

La distribution au cours du congrès des rapports sur l'Etat des Connaissances n'a pas laissé le temps aux Professeurs J.K. MITCHELL et R.K. KATTI d'apporter à leur remarquable texte quel­ ques petites précisions souhaitables et d'ail­ leurs en partie exprimées par le Professeur MITCHELL dans son exposé. Comme j'ai eu l'occasion au cours de la séance d'exprimer mon point de vue sur le cisail lement des colonnes balastées, je n'intervient ici que sur l'électro-osmose et sur l'injection. Pour expliquer la baisse de débit en fonc­ tion du temps observée dans 1 1électro-osmose, il n'est pas nécessaire de supposer l'existence d'un gradient hydraulique susceptible de créer un écoulement allant de la cathode vers l'anode. En effet des essais, effectués avec des élec­ trodes en graphite pour éviter les échanges d'ions, montrent que le gradient de potentiel électrique (V/cm) n'est pas constant entre l'anode et la cathode. Il se forme un pic qui se déplace en fonction du temps, et le gradient entre celui-ci et l'anode diminue progressive­ ment. Il suffit de prendre la valeur de ce gra­ dient amont pour que le débit d'eau mesurée corresponde à celui donné par la relation 18 du texte (CAMBEFORT - CARON - 1961). La diminution du débit ne provient donc que d'un phénomène électrique concernant les ions de la micelle argileuse et de sa double-couche. En ce qui concerne 1'injection, la figure 24 est trompeuse. Le bulbe en b ne se forme qu' avec des coulis pâteux et n'est recherché que pour le scellement des tirants d'ancrage. Ce n'est plus de l'injection proprement dite. Le croquis d 'encapsulation (fig. 24c) est à beaucoup trop petite échelle. Les fracturations hydrauliques, ou encore claquages, sont en gé­ néral de très grande surface, et peu épais. On sait maitriser leur formation et profiter de ce qu'ils finissent par devenir horizontaux pour, par exemple, soulever ou remettre de niveau une construction. Un exemple en est donné par la figure 27, à condition de remplacer les bulbes par des claquages horizontaux. Si la règle dupjuce, concernant la pression maximale d'injection des roches fissurées, et donnée d'ailleurs avec quelques réserves, satis­ fait pleinement l'esprit, elle ne permet abso­ lument pas de faire des injections satisfaisan­ tes. En effet l'expérience montre que si effec­ tivement on peut quelquefois soulever le sol avec de très basses préssions, elle montre aussi que plus la pression finale est élevée,

932

meilleur est le résultat. Il ne faut donc pas généraliser des exceptions et limiter, a priori, les pressions à des valeurs insuffi­ sances, mais éventuellement contrôler les soulèvements de la surface du sol. En général il suffit de conduire les travaux avec précau­ tion en augmentant progressivement cette pres­ sion maximale afin d'éviter des désordres en surface. Il est alors de pratique courante de terminer avec une pression de 5 à 10 M. Pa. Avec des pressions fortes, les fissures du rocher s'ouvrent légèrement, ce qui facilite la pénétration du ciment. Ainsi les règles données, dans le paragraphe "particulate grouts ne sont que théoriques et en pratique on ne s'en occupe pas. En contre partie on vérifie la qualité du travail avec des forages de contrôle dans lesquels on fait des essais d'eau. Le ciment ne pénètre convenablement dans les sables et graviers que si leur perméabilité est supérieure à 10” 2 m/s. En dessous de cette valeur le rayon d'action de l'injection devient très petit, et l'on obtient ainsi l'équivalent d'un pieu diforme. Les coulis d 1argile-ciment pénètrent dans les sables et graviers dont la perméabilité est supérieure à environ 3.10 -4 m/s. Pour des perméabilités plus petites, il est pratique­ ment impossible d'éviter les claquages. Il faut alors prendre des coulis chimiques, par exemple : silicate ou résine. Cet écoulement d'imprégnation obéit à une loi tout à fait analogue à celle de DUPUIT pour les puits filtrants. La pression augmente donc avec le débit qui par suite, ne doit pas être trop grand pour éviter les claquages, même avec un coulis bien choisi. Après le claquage de la manchette éventuelle qui peut nécessiter de très fortes pressions, celles fréquemment pratiquées sont de l'ordre de 1 à 2 M. Pa quelle que soit la profondeur. Mais alors que dans l'injection des roches fissurées on cherche à atteindre une pression maximale, dans celle des sables et graviers on limite les quantités injectées. REFERENCES

Cambefort,H. (1977). Principles and Applica­ tions of Grouting - Quarterly Journal of Engineering Geology - The Géological Society London, England, Vol 10, 1977, pp, 57-95. (Texte français - Ann. I.T.B.T.P. sept. 1977 SF. 144). Cambefort, H. - Caron, C. (1961) Electro­ osmose et consolidation électro-chimique des argiles - Géotechnique, London, sept. 1961.

t e t r a h e d r o n w i t h s t r o n g e r i e n i c and c o v a l e n t b o n d s a t t h e a p e x and l e s s s t r o n g e r h y d ro g e n bonds a t th e b a s e . The b a s e e x c h a n g e c a p a c i t y i s 3 - 1 5 m e q /lO O g e f s o i l ( G r im , 1 9 5 3 ) .

p.K. Katti, Co-Reporter A LEADING PAPER FOR PANEL DISCUSSION ON IMPROVEMENT OF COHESIVE SOILS

INTRODUCTION I r r e s p e c t i v e o f t h e m e th o d o f s o i l im p ro v e m e n t a d o p te d i n im p r o v in g £he s t r e n g t h c h a r a c t e r i s ­ t i c s o f c o h e s iv e s o i l s , i t i s o f p r in t s im p o r t a n c e t o g e t an i n s i g h t i n t o t h e d e v e lo p ­ m e n t o f c o h e s io n i n t h e c l a y - w a t e r s y s te m . T h is d e v e lo p m e n t o f c o h e s io n i n t h e c l a y - w a t e r s y s te m , i n g e n e r a l , i s a t t r i b u t e d t o t h e i n t e r a c t i o n b e tw e e n t h e s u r f a c e s o f t h e c l a y p a r t i c l e s , i o n i c c o n c e n tr a tio n and w a te r . The c la y p a r t i c le s be cau se o f t h e i r s t r u c t u r e e x h i b i t e l e c t r i c a l c h a rg e c o n c e n tr a tio n o f v a r y i n g d e g r e e , a t t h e s u r f a c e , e d g e s and c o m e rs . T he p r e s e n c e o f d i f f e r e n t t y p e s o f io n s i n t h e c l a y - w a t e r s y s te m i n f l u e n c e s d e v e lo p m e n t o f c o h e s io n . T h ic k n e s s o f w a t e r h u l l a ro u n d d i f f e r e n t t y p e s o f io n s i s n o t t h e sam e . M a g n it u d e o f e l e c t r i c a l c h a r g e o n t h e s u r f a c e o f th e p a r t i c l e depends up on th e s t r u c t u r e and t y p e e f t h e c l a y m in e r a l p r e s e n t . The d i p o l a r n a tu r e o f w a te r c o n t r ib u te s s i g n i f i c a n t l y to t h e i n t e r a c t i o n b e tw e e n c l a y and w a t e r . Non­ p o la r l i q u i d s su c h as c a rb o n t e t r a c h lo r id e and b e n z e n e do n o t d e v e lo p c o h e s iv e b o n d s i n a c l a y n o n - p o l a r l i q u i d s y s te m . T h is f a c t i s a m p ly i n d i c a t e d b y v a r i o u s r e s e a r c h w o r k e r s . T h e d e v e lo p m e n t o f c o h e s io n i n a c l a y - w a t e r s y s te m i s i n f l u e n c e d b y t h e f a c t o r s s u c h a s , ( i) s t r u c t u r e o f th e c la y m in e r a l, ( i i ) n a tu r e • f c a t i o n s i n t h e c l a y - w a t e r s y s te m , ( iii) am ount o f c la y c o n t e n t ( iv ) v o id r a t i o , (v ) p a s t h i s t o r y u n d e r w h ic h t h e c o h e s iv e b o n d s a r e d e v e lo p e d , ( v i ) th e s tr e s s changes b r o u g h t a b o u t i n t h e s y s te m s u b s e q u e n t ly , ( v ii) n a t u r e , t y p e a n d p r o p e r t i e s e f t h e m e d ia t h r o u g h w h ic h , f o r c e s a r e t r a n s m i t t e d t o t h e c l a y - w a t e r s y s te m , ( v i i i ) i n t e r n a l changes b ro u g h t a b o u t b y th e a p p lic a t io n o f e l e c t i r c a l p o t e n t i a l t o t h e c l a y - w a t e r s y s te m and ( ix ) t h e r m a l and t im e e f f e c t s .

T h e m o n t m o r i l l o n i t e t y p e o f c l a y m in e r a l s a r e c h a r a c t e r i s e d b y t h e a lu m in a l a y e r s a n d w ic h e d b e tw e e n tw o s i l i c a l a y e r s . A common o x y g e n i s s h a r e d b e tw e e n o c t a h e d r a l and t e t r a h e d r a l u n i t . I n b e tw e e n tw o m o n t m o r i l l o n i t e c l a y m in e r a l l a y e r s t h e r e e x i s t s a v e r y w e ak b o n d an d a c l e a r c le a v a g e due t o t h e p r e s e n c e o f o x y g e n i n t h e a d ja c e n t u n i t s . The is o m o r p h ic s u b s t i t u t i o n o f m e t a l l i c io n s o f lo w e r v a le n c y f o r A1 and S i i n th e m o n t m o r illo n it e s t r u c t u r e has r e s u l t e d i n t o a n e t n e g a t i v e c h a r g e o f 0.66 p e r u n it c e l l. The c l a y p a r t i c l e s a r e fo rm e d due t o t h e s t a c k i n g o f t h e s e s h e e t m in e r a ls i n 'C ' d ir e c tio n . T h is r e s u l t s i n t o e x p a n d in g l a t t i c e i n th e 'C ' d i r e c t io n . See F i g . 1 . B ase e xch a n g e c a p a c ity o f c la y f r a c t i o n , c o n ta in in g m o n t m o r i l l o n i t e c l a y m in e r a l s v a r i e s b e tw e e n 80 — 1 5 0 m e q /lO O g ( G r im , 1 9 5 3 ) . T he s t r u c t u r e o f I l l i t e i s same as t h a t o f m o n t m o r i l l o n i t e e x c e p t t h a t o n e s i x t h o f t h e ' S i ' i s a lw a y s r e p la c e d b y ' A l ' and t h e r e s i d u a l c h a r g e d e f i c i e n c y i s b a la n c e d b y t h e p o t a s s iu m io n s o c c u r b e tw e e n u n i t l a y e r s , w h e re t h e y j u s t s i t in t o th e p e r f o r a t io n s i n th e s u r fa c e oxyg e n la y e r s . The b a s e e x c h a n g e c a p a c it y o f t h e s e m in e r a ls i s i n t h e r a n g e e f 1 0 - 4 0 m e q /lO O g . T h e s t r u c t u r e o f m ic a i s s i m i l a r t o I l l i t e e x c e p t t h a t th e s u b s t it u t io n o f A l f o r S i is o n ly one f o a r t h . T he a b o v e o b s e r v a t i o n s c l e a r l y show t h a t t h e c l a y m in e r a l s p o s s e s s e l e c t r i c a l c h a r g e s o f v a r y i n g m a g n itu d e s a t t h e s u r f a c e d u e t o t h e b a s ic c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s t r u c t u r e i t s e l f . The m o n t m o r i l l o n i t e c l a y m in e r a l e x h i b i t s d i s t i n c t e x p a n d in g c h a r a c t e r i s t i c i n t h e * C ' d ir e c tio n *

P r i o r t o d e a li n g w i t h t h e s o i l im p ro v e m e n t t e c h n iq u e s c o n c e r n in g s t r e n g t h - d e f o r m a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f c o h e s iv e s o i l s , an a t t e m p t i s made t o e x a m in e as t o w h a t e x t e n t t h e a b o v e f a c t o r s a re in t e r r e le t e d t o each o th e r w ith r e s p e c t t o t h e d e v e lo p m e n t o f c o h e s io n . The c l a y - w a t e r s y s te m c o n t a i n i n g n o n - e x p a n d in g t o f e a b l y e x p a n d in g t y p e o f c l a y m in e r a l s a r e c o n s id e r e d . C e r ta in p o in ts a r is in g o u t o f t h i s a n a l y s i s may h e lp i n d i r e c t i n g o u r a t t e n t i o n t o th e m d u r in g p a n e l d i s c u s s i o n .

EXCHANGABLE CATIONS nH20

STRUCTURE OF a A Y MINERALS

OjOSIUCON OCCASIONALLY ALUMINIUM

T h e common c l a y m in e r a ls a r e h y d r o u s a lu m in iu m p h y l l o s i l i c a t e s , com p ose d o f t e t r a h e d r a l s i l i c a u n i t s and a lu m in iu m o c t a h e d r a l u n i t s . These u n it s a re bonded to g e th e r in d if f e r e n t c o m b in a t io n s t o f o r m d i f f e r e n t c l a y m in e r a l s . I n case o f K a o lin it e th e s t r u c t u r e c o n s is ts a l t e r n a t e l a y e r s o f a lu m in a an d s i l i c a

F IG . 1 .

DIAGRAMTIC SKETCH OF THE STRUCTURE OF MONTMORILLONITE.

of

933

WATER I n w a t e r m o le c u le * t h e e l e c t r i c a l c e n t r e * o f p o s i t i v e an d n e g a t i v e v a l e n c e * do n o t c o i n c i d e . T h is e c c e n t r i c i t y r e s u l t s i n e l e c t r i c a l I n b a la n c e a n d h e n c e t h e w a t e r m o le c u le i s c o n s id e r e d as a d i p o l e . T he a n g le s u b te n d e d a t t h e c e n t r e i s 1 0 4 * 5 6 '. R e fe r F ig . 2 . U n d e r n o rm a l te m p e ra tu re c o n d it io n s , th e w a te r m o le c u le s i n a w a t e r m e d ia a r e s u p p o s e d t o h a v e a s t r u c t u r e d e s ig n a t e d as is o s a h e d r a l s y m m e try an d t h u s p o s s e s s c l o s e s t p a c k in g a n d e x t r e m e ly n e g l i g i b l e c o h e s io n t e n d in g to w a r d s z e ro . T he m o le c u le s i n t h e l i q u i d w a t e r ia io e x p e r ie n c e 10 t o 10 r e o r i e n t a t i o n a l and t r a n s i t i o n a l m ove m en ts p e r s e c o n d ( F is e n b e r g a n d K au zm a n n , 1 9 6 9 ) . R a is in g t h e t e m p e r a t u r e o f w a t e r , in c r e a s e s t h e r a t e o f o r i e n t a t i o n and d is p la c e m e n t s an d d e c r e a s e s t h e v i s c o s i t y . I n c o n n e c tio n w ith t h i s , l i m i t e d s tu d ie s r e la t in g to a lte r a t io n in vane sh e a r s tre n g th w ith te m p e ra tu re o f s a t u r a t e d B e n to n ite c la y s y s te m i n d i c a t e d t h a t t h e v a n e s h e a r s t r e n g t h s a re

19,

18,

1 g /c m 2 c o r r e s p o n d in g

to

4 0C, 2 5 * C

and 8 5 ° c t e m p e r a t u r e . OXYGEN

a — DIPOLE

=> SYMBOL

t o th e e le c tr o m a g n e tic p r o p e r t ie s . F rom t h i s , i t a p p e a r s t h a t t h e b o n d b e tw e e n w a t e r m o le c u le s ca n be i n f l u e n c e d b y t h e p r e s e n c e o f an e x t e r n a l e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d . T h u s c o n s id e r a b le a l t e r a t i o n i n b o n d s t r s n g t h i n t h e w a t e r m o le c u le s a d ja c e n t t o t h e e l e c t r i c a l l y c h a rg e d s u r fa c e s o f c la y p a r t i c le s a n d io n s c a n be e x p e c t e d .

ADSORBED WATER C la y f r a c t i o n s c o n t a i n i n g d i f f e r e n t t y p e s o f c l a y m in e r a l s when t r e a t e d w i t h c a r b o n t e t r a c h l o r i d e o r b e n z e n e do n o t e x h i b i t a n y p la s tic ity . C o h e s io n d e v e lo p e d i s n e g l i g i b l e and i s t e n d in g t o z e r o v a l u e . H o w e v e r, t h e same t y p e s o f c l a y f r a c t i o n s , e x h i b i t s i g n i ­ f i c a n t m a g n itu d e o f p l a s t i c l i m i t , l i q u i d l i m i t an d p l a s t i c i t y in d e x p r o p e r t i e s i n t h e p r e s e n c e o f w a t e r as sh o w n i n T a b le 1 . T h is may be a t t r i b u t e d t o t h e a l t e r a t i o n s b r o u g h t a b o u t i n t h e s t r u c t u r e o f w a t e r and t h e b o n d b e tw e e n w a t e r m o le c u le s i n t h e p r e s e n c e o f e l e c t r i c a l c h a r g e s e x i s t i n g on t h e s u r fa c e s o f c la y m in e r a ls . I t i s a ls o c le a r t h a t h ig h e r th e s u r fa c e e l e c t r i c a l c h a rg e s th e h i g h e r a r e th e l i q u i d l i m i t an d p l a s t i c i t y in d e x v a lu e s ( B a v e r e t a l , 1 9 7 6 ) . TABLE 1 .

HYDROGEN

A tte rb e rg

L im its

f o r D i f f e r e n t C la y M in e r a l s

W it h Na and Ca E x c h a n g e a b le C a tio n s F I G . 2 . STRUCTURE OF WATER MOLECULE. When t h e t e m p e r a t u r e o f w a t e r i s lo w e r e d t h e t h e r m a l m ove m en ts o f t h e m o le c u le becom e le s s in t e n s iv e , th e e le c tr o m a g n e tic p r o p e r t ie s o f t h e w a t e r m o le c u le s p r o v e t o b e s t r o n g e r th a n t h e s e m o v e m e n ts . The s t r u c t u r e o f i c e t h e n fo rm e d i s s i m i l a r to t h a t o f h e x a g o n a l fo rm o f s ilic a . E ach o x y g e n a to m i s s u r r o u n d e d t e t r a h e d r a l l y b y f o u r o x y g e n a to m s w i t h w h ic h i t fo rm s h y d r o g e n b o n d s . S ee F i g . 3 . S uch a s t r u c t u r e i s v e r y o p e n a n d h e n c e i t h a s lo w s p e c ific g r a v ity . The s h e a r s t r e n g t h o f i c e at -5 °°,

b a s e d on h a l f u n c o n f in e d c o m p r e s s iv e

s tre n g th 1 9 6 0 ).

is

2

15 k g /c m

Q

( L e o n a r d s a n d A n d e r s la n d

OXYGEN ATOM

o HYDROGEN ATOM ______HYDROGEN BONO

F IG .3.

THE STRUCTURE OF IC E

T h e s e c h a r a c t e r i s t i c s o f w a t e r m o le c u le s . c l e a r l y in d ic a t e t h a t b o th th e s t r u c t u r e o f w a t e r a n d b o n d in g b e tw e e n m o le c u le s , a r e due

934

A tte rb e rg

lim its

C la y

Io n

L .L .

P .L .

S .L .

P .I.

M o n tm o r illo n ite

Na Ca Na Ca Na Ca

710 510

54 81 53 45 32 27

10 11

65 0 430 63 55

Illite K a o lo n ite

120 100 53 38

15 17 27 25

21 11

T h i s d e v e lo p m e n t o f p l a s t i c i t y i n a c l a y - w a t e r s y s te m i s a t t r i b u t e d t o t h e f o r m a t i o n o f a d s o r b e d w a t e r h u l l i n and a ro u n d t h e c l a y p a r tic le s . T h is a d s o rb e d w a t e r i n t u r n may p l a y an im p o r t a n t r o l e i n t h e d e v e lo p m e n t o f c o h e s io n . T o u n d e rs ta n d th e i n t e r a c t i o n in th e c la y - w a t e r s y s te m c o n t a i n i n g i o n s , a t t e m p t s a r e made b y v a r io u s re s e a rc h w o rk e rs b y s im p lif y in g th e s u r f a c e o f t h e c l a y p a r t i c l e h a v in g e l e c t r i c a l c h a r g e s on i t and t h e l i q u i d m edium i n w h ic h i t i s im m e rs e d . F i r s t a t t e m p t i n t h i s d i r e c t i o n was made b y H e lm h o lt z who c o n s id e r e d an i n f i n i t e p l a t e , as show n i n F i g . 4 , im m e rs e d i n a l i q u i d m e d ia h a v in g c o u n t e r i o n s . He sh o w e d t h a t , t h e c o u n t e r io n s g e t a t t a c h e d t o t h e s u r f a c e o f t h e s o l i d a n d p r o d u c e a lm o s t a f i x e d l a y e r . It m oves o n l y w hen an a p p r o p r i a t e p o t e n t i a l i s a p p lie d . ( M a y s e ls , 1 9 6 7 ) . L a t e r w o rk b y G ouy-C hapm an sho w s t h a t t h e c o m p e n s a tin g c a t i o n s h a v e a t e n d e n c y t o d i f f u s e

aw ay f r o m t h * la y e r e d s u r f a c e s in c e t h e i r c o n c e n t r a t i o n w i l l be lo w e r i n t h e b u l k s o l u ­ tio n * . R e fe r F i g . 4 . On t h e o t h e r h a rid , t h e y a re a t t r a c t e d e l e c t r o - s t a t i c a l l y to th e c h a rg e d la ttic e . I t i s th e th e rm a l a g it a t io n , o v e r­ c o m in g i n p a r t , t h e e l e c t r o s t a t i c a t t r a c t i o n w h ic h c a u s e s t h e d i f f u s e n e s s o f t h e d o u b 1 » la y e r . F u r t h e r w o rk b y S t e r n i n d i c a t e s t h a t i f th e e l e c t r o - s t a t ic fo r c e s a re to o s tro n g o r i f t h e y a r e r e i n f o r c e d b y Van d e r W a a ls f o r c e s , t h e r m a l a g i t a t i o n i s n o t a b le t o o v e rc o m e th e m and a p a r t o f c o u n t e r io n s r e m a in i n s u c h a com pact la y e r . See F i g . 4 . T h is c o m p a c t p a r t i s c a l l e d as S t e m l a y e r . T h is l a y e r i s i n a d y n a m ic e q u i l i b r i u m and i n a s e n s e i s an in t e g r a l p a r t o f th e c h a r te d p a r t i c l e . Thus, s t e m la y e r ta k e s i n t o c o n s id e r a t io n th e s iz e o f th e io n s . (V a n O lp h a n , 1 9 6 3 . T h * d o u b le l a y e r t h e o r i e s i n d i c a t e t h a t a c h a rg e d s u r fa c e has a te n d e n c y t o a t t r a c t c o u n t e r io n s w i t h v a r y i n g d e c r e e o f f o r c e s a n d even u n d e r n o rm a l te m p e ra tu re c o n d it io n s , i t is p o s s i b l e , t h a t t h e f o r c e w i t h w h ic h t h e c a t i o n s a r e h e ld b y t h e s o l i d s u r f a c e may e x c e e d t h e r m a l a g ita tin g fo r c e . On t h e b a s is o f t h e s e t h e o r ie s , i t i s in d ic a t e d t h a t th e w a te r m o le c u le s c l o s e r t o t h e c h a r g e d s o l i d s u r f a c e a r e h e ld w i t h h i g h e r e l e c t r o - s t a t i c f o r c e t h a n t h o s e aw ay f r o m i t .

s e v e r a l w ay*

as m e n tio n e d b e lo w b r i e f l y .

11)

C a tio n s may s e r v e as a b o n d t o h o ld t h e c l a y m in e r a l p a r t i c l e s t o g e t h e r t o l i m i t t h e d i s t a n c e t h r o u g h w h ic h t h e y c a n be s e p a r a t e d , a n d

ii)

Some o f t h e a d s o rb e d c a t io n s may becom e h y d r a t e d and i n f l u e n c e t h e o v e r a l l n a t u r e o f a rra n g e m e n t o f w a t e r m o le c u le s a n d th e t h ic k n e s s . F o r t h e p u rp o s e o f i l l u s t r a t i o n , r a d i u s o f h y d r a t e d c a t io n s an d b o n d e n e r g ie s a r e g iv e n i n T a b le I I .

On t h e b a s is o f t h e w o rk d o ne b y v a r i o u s r e s e a r c h w o r k e r s , i t ca n b e s t a t e d t h a t t h e s t r u c t u r e o f w a t e r I s a l t e r e d c o n s id e r a b ly a d jo in in g th e c h a rg e d s u r fa c e . T h is a l t e r e d s t r u c t u r e may p l a y an i m p o r t a n t r o l e i n t h e d e v e lo p m e n t o f c o h e s io n . H o w e v e t, t h e r e e x i s t s c o n s id e r a b le g a p i n k n o w le d g e w i t h r e s p e c t t o t h e c o h e s io n d e v e lo p e d and t h e n a t u r e o f b o n d in g p r e s e n t b e tw e e n w a t e r m o le c u le s i n d i f f u s e d a d s o rb e d w a t e r zo n e f r o m t h e s u r f a c e o f th e c la y m in e r a l. In case o f a r e a l s i t u a t i o n , i n a d d it io n to p h y s ic a l a d s o r p tio n a r o u n d c l a y p a r t i c l e s c h e m is o r p t i o n e f f e c t s ■ a y h a v e t o be c o n s id e r e d ( M y s e ls , 1 9 6 7 ) . C h e m is o r p t io n may r e s u l t i n t o d e v e lo p m e n t o f d ia g e n e tic b o n d s.

f$ - ♦ - +

TABLE I I

£> -t- +•s * - *-

4 ♦ -+ SCHEMATIC DOUBLE LAYER

Bond E n e r g ie s o f

D ♦ + SCHEMATIC DFFUSE DOUBLE LAYER

SCHEMATIC DIFFUSE DOUBLE LAYER

V a r io u s C a t io n s

A n io n s w i t h C h a rg e d L a t t i c e

C a tio n

A n io n

H y d ra te d C a t io n H y d r a t io n C a t io n R a d iu s

and

S ite s Bond e n e r g y e rg s /b o n d x d o ” 12)

(A °) T o<

STERN POTENTIAL

L i+

HELMHOLTZ MODEL

F IG .4 .

DISTANCE 6U0Y—CHAPMAN MODEL

DISTANCE STERN MODEL

MODELS FOR ELECTRICAL DOUBLE LAYER AND POTENTIAL

A c l a y p a r t i c l e h a v in g c h a r g e d s u r f a c e i s f o u n d t o d e v e lo p an a d s o r b e d w a t e r l a y e r a ro u n d i t when s u s p e n d e d i n w a t e r . (L a m b e , 1 9 6 0 ). I n th e l i g h t o f th e above t h e o r ie s i t may be e x p e c te d t h a t t h e i n f l u e n c e o f e l e c t r i c a l c h a r g e on t h e c l a y p a r t i c l e w o u ld b r i n g a b o u t v a r y i n g d e g r e e s o f b o n d in g b e tw e e n t h e w a t e r m o le c u le s , d e p e n d in g u p o n t h e d i s t a n c e o f t h e w a t e r m o le c u le s , f r o m t h e c l a y s u r f a c e , am o u n t o f c h a rg e o n t h e c la y s u r f a c e , th e p re s e n c e o f v a r io u s ty p e s o f io n s i n t h e w a t e r a n d t e m p e r a t u r e , e t c . I n t h e a d s o r p t i o n s o f w a t e r on a n a t u r a l c l a y s u r f a c e b o t h h y d r a t i o n and h y d ro g e n b o n d in g w i t h th e o x y g e n a to m s on t h e s u r f a c e may be i n v o l v e d (V a n O lp h a n 1 9 6 3 ) . The io n s m in e r a l s

a d s o r b e d on t h e s u r f a c e o f t h e c l a y may a f f e c t t h e a d s o rb e d w a t e r , i n

7

3 .7

4 .6

Na+

0-

5

3 .3

4 .8

K+

o-

4

3 .1

5 .1

n h 4+

0-

4

3 .0

5 .3

Mg 2+

0-

12

4 .4

8.0

Ca2 +

0-

10

4 .2

8 .3

a i 3+

0-

6

1 .8 5

2 1.6

"~|i$ POTENTIAL DISTANCE

0-

ROLE OF EXCHANGEABLE IONS I N S T A B IL IZ A T IO N OF COHESIVE SO ILS I n c a s e o f a s a t u r a t e d c l a y - w a t e r s y s te m a la r g e num ber o f c h a rg e d s u r fa c e s o f c la y p a r t i c l e s a r e a r r a n g e d i n d i f f e r e n t fo r m s a t v a r i o u s d i s t a n c e s , d e p e n d in g u p o n t h e v o id r a tio . T he w a t e r m o le c u le s an d io n s i n s i d e t h e c l a y - w a t e r s y s te m a r e s u b je c t e d t o e le c t r o - m a g n e tic f o r c e f i e l d s n o t o n ly fro m t h e s u r f a c e o f one p a r t i c l e b u t a ls o f r o m t h e s u rfa c e s o f a d jo in in g p a r t i c l e s . S uch f o r c e f i e l d s c a u s e c o m p le x a rr a n g e m e n t o f w a t e r m o le c u le s a n d b o n d s t r e n g t h b e tw e e n w a t e r m o le c u le s w o u ld be t h e r e s u l t a n t e f f e c t . In a d d it io n , be cau se o f th e p re s e n c e o f o th e r t y p e s o f i o n s , t h e b o n d in g b e tw e e n t h e w a t e r

935

m o le c u le s a d j o i n i n g t h e c l a y p a r t i c l e s may be n o t o n ly due t o th e p h y s ic a l a d s o r p tio n o f w a t e r a n d io n s b u t a ls o due t o t h e c h e m ls o r p tio n . I n m a j o r i t y o f c a s e s , t h e c o h e s iv e s o i l s y s te m n o r m a ll y c o n s i s t s o f c l a y p a r t i c l e p o s s e s s in g n e g a t i v e c h a r g e a t t h e s u r f a c e due t o t h e is o m o r p h ic s u b s t i t u t i o n . I n such a s it u a t io n t h e a d d i t i o n o f d i f f e r e n t t y p e s o f c a t io n s may b r i n g a b o u t a l t e r a t i o n i n t h e c l a y - w a t e r s y s te m du e t o t I) II)

a g g r e g a t io n . p o z z o lo n i c

H y d r o x id e s

r e a c tio n ,

c o n ta in in g

e tc .

c a tio n s

When h i g h e r am o u n t o f h y d r o x id e s , w h ic h p r o d u c e b a s ic e n v ir o n m e n t a r e i n c o r p o r a t e d i n a c l a y - w a t e r s y s te m , t h e pH o f t h e w a t e r may c h a n g e t o b e y o n d 10 r e s u l t i n g i n t h e l i b e r a t i o n o f Fe+ + , S i 0 2 » H20 3 ’ e t c " f 10111 t h e s o il p a r tic le s . T h e s e r e l e a s e d io n s may p r o m p t ly c o m b in e w i t h t h e a v a i l a b l e c a t i o n s l i k e Ca+ + and r e s u l t i n t o c o m p le x c e m e n t a t io n a g e n ts . E s p e c ia lly in ca se o f s o i l- lim e s t a b i l i z a t i o n , t h e c e m e n tin g m a t e r i a l h a s t o come f r o m t h e l i b e r a t i o n o f A l 20 g , S i 0 2 , e t c . th e

p a r tic le

G e n e r a l e x a m in a t io n o f l i t e r a t u r e on s t a b i l i ­ z a t i o n w i t h lo n e , b r i n g a b o u t t h a t t h e f o l l o w i n g f a c t o r s w h ic h p l a y an I m p o r t a n t r o l e : ii) ill) iv ) v) v i)

S p e c ific

s u rfa c e

a re a o f th e p a r t i c l e s ,

N o. o f c o n ta c t p o in ts , pH o f th e s o i l - w a t e r s y s te m , am o u n t o f io n s , T e m p e r a tu r e ,

and

P r e s e n c e o f o r g a n ic m a t t e r ,

e tc .

I t a p p e a rs b y t a k i n g i n t o c o n s i d e r a t i o n t h e m e c h a n ic a l a n a l y s i s o f t h e s o i l s y s te m and a l s o t h e r e a c t i o n r a t e s b e tw e e n s o i l p a r t i c l e s a n d t h e b a s ic e n v ir o n m e n t i t may b e p o s s i b l e t o d e v e lo p a r e a s o n a b le p h y s i c a l an d m a t h e m a t ic a l m o d e l t o e v a lu a t e t h e p r o b a b le s t r e n g t h o f a s t a b i l i z e d s o i l s y s te m u s in g io n s . T h is n e e d s c e r t a i n a m o u n t o f d i s c u s s io n b y p a n e lis ts .

ELECTRO-OSMOTIC DRAINAGE AND ELECTRO-CHEMICAL S T A B IL IZ A T IO N

its e lf.

A m o u n t o f t h e c o m p le x c e m e n tin g a g e n t p ro d u c e d is a f u n c t io n o f th e s p e c if ic s u rfa c e a re a . A s t h i s s u r f a c e a re a g o e s on in c r e a s i n g t h e a m o u n t o f r e l e a s e o f S i 0 2 ' A l a0 3 , e t c . u n d e r a p p r o p r i a t e c o n d i t i o n s and $ im e c o u ld be m o re w h ic h may h e lp i n p r o d u c in g t h e c e m e n tin g m a te r ia l. The s t r e n g t h o f a s t a b i l i z e d s o i l - l i m e m ix d e p e n d s u p o n n u m b e r o f c o n t a c t p o i n t s t o be bound to g e th e r . L e s s e r th e num ber o f c o n ta c t p o i n t s , l e s s e r w o u ld be t h e am o u n t o f c e m e n tin g m a te r ia l needed f o r s t a b iliz a t io n . H o w e v e r, as t h e s p e c i f i c s u r f a c e a r e a g o e s on in c r e a s i n g t h e c o n t a c t p o i n t s a l s o go on i n c r e a s i n g t h u s in c r e a s i n g t h e a m o u n t o f c e m e n tin g m a t e r i a l n e e d e d , f o r b o n d in g . I t i s fo u n d t h a t t h e d e v e lo p m e n t o f c e m e n tin g m a t e r i a l and r e q u ir e m e n t o f c e m e n tin g m a t e r i a l f o r b o n d in g t h e p a r t i c l e s a r e n o t i n t h e same p r o p o r t i o n a nd w h ic h d e p e n d s u p o n t y p e o f c l a y . I n v ie w o f t h i s , i t i s o b s e r v e d t h a t t h e r e e x i s t s an o p tim u m p a r t i c l e s i z e u p t o w h ic h t h e lim e s t a b iliz a t io n o r any o th e r s t a b iliz a t io n w ith s i m i l a r c h e m ic a ls may b e m o re e f f e c t i v e . I f t h e g r a i n s a r e b i g g e r t h a n t h e o p tim u m s i z e , s a y g r a v e l , t h e n a lt h o u g h t h e c o n t a c t p o i n t s may be l e s s , t h e c e m e n tin g m a t e r i a l p ro d u c e d may n o t be a d e q u a te t o g i v e t h e d e s ir e d s tre n g th . T h e t y p e o f c l a y m in e r a l a l s o a f f e c t s t h e am o u n t o f s t a b i l i z i n g a g e n t t o be i n c o r p o r a t e d

936

i t may be u s e d up f o r b a la n c in g d e fic ie n c y .

The d i f f u s i o n o f c a tio n s i n th e s o i l- w a t e r s y s te m a l s o a f f e c t s c l a y s t a b i l i z a t i o n . T h is p a r t i c u l a r a s p e c t may be o f im m ense u s e w i t h r e s p e c t t o lim e p i l e s a n d a l s o h a r d e n in g o f s o f t c la y e y s o i l s w i t h h y d r o x id e s w h ic h a r e s o l u b l e an d p a r t i a l l y s o l u b l e ( K a t t i e t a l , 1 9 6 7 ).

i) s u c h as K+ ,

Ca+ + an d Mg+ + a r e fo u n d t o b r i n g a b o u t a g g r e g a t io n i n t h e s y s te m a n d a l t e r t h e t e x t u r e o f th e s o i l i t s e l f , T h is i s v e r y w e l l e x h i b i t e d t h r o u g h c h a n g e i n th e in d e x p r o p e r t i e s m a k in g c la y e y s o i l s a lm o s t f r i a b l e o n e s ( K a t t i , K u l k a r n i , a n d R a d h a k r is h n a , 1 9 6 6 ) .

fro m

as p a r t o f th e c h a rg e

T h e c o n c e p t o f e l e c t r o - o s m o s is h a s b e e n u s e d as a m a jo r s o i l im p ro v e m e n t t e c h n iq u e f o r s o f t c la y s and f i n e g r a in e d s o i l s , e t c . , w h e r e in , t h e f l o w o f w a t e r t o w a r d s t h e e l e c t r o d e s w o u ld ta k e p la c e u n d e r th e a p p lie d e l e c t r i c a l p o t e n t i a l a n d t h u s im p r o v e t h e s t r e n g t h o f t h e s o i l s y s te m . T he e l e c t r o - o s m o s is i s b a s e d on th e f o llo w in g p r i n c ip le t A t th e s o l i d l i q u i d in t e r f a c e th e re i s c o n c e n tr a tio n o f i o n s d u e t o t h e f o r m a t i o n o f ' d o u b le l a y e r ' . U n d e r th e a p p lic a t io n o f e l e c t r i c a l f i e l d p a r a l l e l t o s u r f a c e , t h e io n s i n t h e i n n e r l a y e r o f t h e l i q u i d p h a s e m ove t o w a r d s e l e c t ­ r o d e o f o p p o s it e s ig n and d r a g a lo n g t h e f r e e w a t e r e n c lo s e d b y t h i s m o v in g b o u n d a r y f i l m . C a s tg r a n d e h a s d e v e lo p e d an e q u a t i o n f o r th e v e l o c i t y o f f l o w b a s e d o n H e lm h o lt z t h e o r y as

4 . •

T) . L

W h e re , & »

d ie le c tr ic

y

z e ta p o t e n t ia l,

“

c o n s ta n t,

E 2 and A 1 20 3> e t c . t h a t t o o i n n e s c e n t s t a t e . W ith t h e C a C l2 i n

SATURATED CLAY-WATER SYSTEM A s m e n tio n e d e a r l i e r , i n c a s e o f a s a t u r a t e d c l a y - w a t e r s y s te m a l a r g e n u m b e r o f c h a r g e d s u rfa c e s o f c la y p a r t i c l e s a re a rra n g e d i n d i f f é r e n t fo r m s a t v a r i o u s d i s t a n c e s , d e p e n d in g u p o n t h e v o i d r a t i o . I n a d d it io n , b e ca u se o f th e p re s e n c e o f o t h e r ty p e s o f i o n s , t h e b o n d in g b e tw e e n t h e w a t e r m o le c u le s a d j o i n i n g t h e c l a y p a r t i c l e s may be n o t o n l y due t o t h e p h y s i c a l a d s o r p t i o n o f w a t e r a n d io n s b u t a l s o due t o t h e c h e m is o r p t i o n . S t u d ie s c o n d u c te d u s in g b e n t o n i t e a t d i f f e r e n t v o i d r a t i o s h a v e c l e a r l y shown t h a t u n d e r f u l l y s a tu r a t e d c o n d itio n s in c r e a s e i n u c s and o r van e s h e a r s t r e n g t h i s a s s o c ia t e d w i t h d e c re a s e in v o id r a t i o . R e fe r F i g . 5 . I f benzene is used i t i s c le a r ly o b s e rv e d t h a t th e re is h a r d l y a n y c o h e s io n . T h is c l e a r l y i n d i c a t e d t h a t r e d u c t io n i n v o id r a t i o has b ro u g h a b o u t c o n s id e r a b le c h a n g e i n t h e b o n d s t r e n g t h o f t h e a b s o r b e d w a t e r i n t h e c l a y - w a t e r s y s te m . S i m i l a r e f f e c t s a r e o b s e r v e d b y e n g in e e r in g a n d r e s e a r c h w o r k e r s i n c a s e o f c la y e y s o i l s . T h is h a s r e s u l t e d i n t o d e v e lo p in g p r e c o n s o l i d a t i o n c o n c e p t and m e th o d s t o im p ro v e th e s t r e n g t h c h a r a c t e r is t ic s o f th e c la y d e p o s i t s , f o r e n g in e e r in g c o n s t r u c t i o n (J o h n s o n , 1 9 6 8 ; M it c h e ll, 1 9 6 8 ).

i n c o r p o r a t i o n o f c h e m ic a ls s u c h as th e fo rm o f p i l e s , tr e n c h e s ; i t i s

p o s s i b l e t o b r i n g a b o u t h a r d e n in g o f m a r in e c l a y f r o m a s t r e n g t h a s lo w as 0 . 0 5 k g / c o 2 t o as h i g h as 18 k g /c m 2 , w h ic h i s a t t r i b u t e d t o f o r m a t i o n o f c o m p le x c a l c i u m - a l u m i n o - s i l i c a te e t c . I t i s a ls o o b s e rv e d t h a t , th e d is s o c ia t io n p e r i o d i s 36 h o u r s . Any a p p li c a t io n o f e l e c t r i c a l p o t e n t i a l b d y o n d t h i s p e r i o d has v e ry l i t t l e u se . I n v ie w o f t h a t , t h e e l e c t r i c a l p o t e n t ia l need t o be a p p lie d o n ly t o c h a n g e t h e e n v ir o n m e n t . A f t e r w h ic h , t h e n o r m a l c h e m ic a l s t a b i l i z a t i o n m e th o d ca n be e m p lo y e d t o im p r o v e t h e s t r e n g t h o f m a r in e c la y s . The la b o r a t o r y s t u d ie s in d ic a t e t h a t i t i s p o s s i b l e t o h a rd e n a l a r g e a r e a b y c o n t r o l l e d p r o c e s s o f in t e r c h a n g i n g t h e e l e c t r o d e s and n e u t r a l i z i n g t h e a c i d i c zone. I t a p p e a rs t h a t e l e c t r o c h e m ic a l h a r d e n in g s p e c i a l l y f o r m a r in e o r s a l t s a t u r a t e d s y s te m may be o f im m ense p r a c t i c a l a p p l i c a b i l i t y . T h is t y p e o f m e th o d w o u ld b r i n g a b o u t i n c r e a ­ s in g i n s i t u s t r e n g t h a n d a l s o t h e r e d u c t i o n i n th e s e ttle m e n t c h a r a c t e r is t ic s w ith o u t a p p lic a t io n o f heavy p r e - lo a d . The p a n e l i s t s may c o n s id e r g i v i n g t h e i r v ie w s o n f u t u r e a p p ro a c h t o t h i s t y p e o f s o i l im p r o v e m e n t t e c h n iq u e . T h e y may a ls o g i v e a g u id a n c e r e g a r d in g d i r e c t i o n i n w h ic h t h e r e s e a r c h s h o u ld be t a k e n u p t o make t h i s p ro c e s s a p r a c t i c a ll y v ia b le on e .

VOID RATIO

F I G . 5 . V A R IATIO N OF SHEAR STRENGTH WITH VOID RATIO I n c a s e o f c la y e y d e p o s it s when t h e v o id r a t i o g o e s on d e c r e a s in g t h e u n c o n f in e d c o m p r e s s iv e s t r e n g t h in c r e a s e s s i g n i f i c a n t l y a s shown i n F i g . 5 . T h e se e f f e c t s a r e m ore p r e d o m in e n t when v o i d r a t i o d e c r e a s e s b e lo w 0 .7 . The in c r e a s e i n u c s may be n o t o n ly due t o t h e p h y s i c a l a d s o r p t i o n b u t a l s o due t o c h e m is o r p t i o n . S uch e f f e c t s a r e o b s e rv e d i n c a s e o f o v e r - c e n s o l i d a t e d c la y s and s h a le s (S k e n p to n , 1 9 6 4 ). The h i g h s t r e n g t h i n o v e r c o n s o l i d a t e d c l a y and s h a le s h a s b e e n

937

a ttr ib u te d 1 9 7 6 ).

to

th e

d ia g e n e tic

bonds

(B J e rru m ,

F ro m t h e a b o v e d i s c u s s io n i t i s c l e a r t h a t t h e c h a n g e s on t h e s u r f a c e o f c l a y p a r t i c l e s , i n o t h e r w o r d s , t h e e l e c t r i c a l e n v ir o n m e n t in flu e n c e s i g n i f i c a n t l y th e bond s tr e n g th b e tw e e n t h e w a t e r m o le c u le s i n t h e c l a y w a t e r s y s te m u n d e r v a r i o u s v o i d r a t i o c o n d i t i o n s due t o t h e ph en om en on o f a d s o r p t i o n . The c o h e s iv e f o r c e d e v e lo p e d b e tw e e n t h e a d j o i n i n g p a r t i c l e s d u e t o th e e l e c t r i c a l e n v ir o n m e n t may be s e v e r a l t im e s h i g h e r t h a n t h e w e ig h t o f th e p a r t i c le s . T he o v e r a l l s t r e n g t h o f a s a t u r a t e d c l a y - w a t e r e le m e n t a t a g iv e n d e p th i s c o n t r ib u te d b o th by th e f r i c t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s o i l p a r t i c l e s and a ls o b y t h e m a g n itu d e o f e l e c t r i c a l e n v ir o n m e n t e x i s t i n g i n t h e c l a y - w a t e r s y s te m .

O— »-NATURAL SOIL

,

»----- * -SOIL+5 '/.SAND

* — • - SOIL + 10 ^SAND

5

* -----4-S0IL-* 15%SAND

SOIL+20% SAND LA TE R A L

F I G . 6.

T h u s , w h i l e d e a li n g w i t h t h e m e c h a n ic s o f c l a y - w a t e r s y s te m o r o f c o h e s iv e d e p o s it s i t may be n e c e s s a r y t o t a k e i n t o a c c o u n t, (1 ) w e ig h t o f t h e c l a y p a r t i c l e s , ( i i ) w e ig h t a n d p r o p e r t i e s o f w a t e r a n d ( i l l ) m a g n itu d e o f e l e c t r i c a l e n v ir o n m e n t, e t c .

P R E S S U R E )k g / c m 2

SHEAR

LA TE R A L

PRESSURE

The c la y e y s o i l d e p o s i t h a v in g

2

s w e llin g

p r e s s u r e o f 3 . 0 t o 5 . 0 k g /c m i s fo u n d t o e x h i b i t no v o lu m e c h a n g e a t a d e p th o f 1 .0 to 1 .5 m o f s o i l o v e rb u rd e n w h ic h i s e q u iv a le n t t o t h e p r e s s u r e o f 0 .2 t o 0 . 3 k g /c m . II.

III.

The s h e a r s t r e n g t h a n d c o h e s io n in c r e a s e s r a p i d l y w i t h d e p th a n d r e m a in c o n s t a n t a s shown i n F i g . 6 ( K a t t i e t a l , 1 9 7 9 ). T he r e s u l t b a s e d on t h e l a t e r a l p r e s s u r e m e a s u re m e n ts h a v e sho w n t h a t t h e l a t e r a l p re s s u re o f th e o r d e r o f 3 .0 to 5 .0 k g /c m i s o b s e r v e d a t d e p th o f 1 .0 t o 1 . 5 m as sho w n i n F i g . 6 , a lt h o u g h t h e r e e x i s t s c o h e s io n o f t h e o r d e r o f O 0 . 7 k g /c m . W ith t h i s c o h e s io n as p e r th e c o n v e n tio n a l e q u a tio n s o f a c t iv e p re s s u re : a a = y h t a n 2 ( 4 5 - < J /2 ) - 2 c t a n

( 4 5 - < J /2 )

t h e r e s h o u ld n o t h a v e b e e n a n y l a t e r a l p r e s s u r e u p to 6.0 m. IV .

938

The s t u d i e s w i t h d e a d lo a d s u r c h a r g e s h a v e show n t h a t e v e n a f t e r t h e r e m o v a l o f s u r c h a r g e c o n s id e r a b le l a t e r a l p r e s s u r e i s r e t a i n e d a n d t h e c o h e s io n i s fo u n d t o be c o n s id e r a b ly i n c r e a s e d . R e f. F i g . 7 .

W ITH

R ELEASE

LO CKEO

I.

/cm

STUDIES ON BLACK. COTTON S O IL FROM POONA

STRENGTH DEVELOPMENT IN CLAY DEPOSITS CONTAINING MONTMORILLONIT E TYPE OF CLAY MINERAL The i n f l u e n c e o f t h e e l e c t r i c a l e n v ir o n m e n t o n t h e s t r e n g t h and o t h e r a s p e c t s h a s b e e n d e m o n s tr a te d i n c a s e o f c la y e y s o i l d e p o s it s c o n t a i n i n g h ig h am ount o f m o n t m o r i l l o n i t e ty p e o f c la y m in e r a l, i n I n d ia . I n t h i s w o rk th e f o ll o w in g a s p e c ts a re c l e a r l y b r o u g h t a b o u t.

S T R E N G T H , kg

LA TE R A L

PRESSURE E Q .L A T E R A L UNDER

1

2

PRESSURE

I N IT I A L

3

4

SURCHARGE

5

6

SURCHARGE , kg/cm 2

F IG . 7 .

RESULTS OF LATERAL PRESSURE STUDIES W ITH SURCHARGES

V . A c o h e s iv e n o n - s w e l l i n g s o i l o f 1 . 0 t o 1 . 5 m t h i c k n e s s h a v in g n o s w e l l i n g p r e s s u r e b u t e x h i b i t i n g c o h e s io n i s fo u n d t o p r o d u c e no v o lu m e c h a n g e c o n d i­ t i o n i n b l a c k c o t t o n s o i l b e lo w . T h is c o n c e p t o f CNS s o i l h a s b e e n a p p li e d e x t e n s i v e l y i n M a la p ra b h a and U p p e r K r is h n a P r o j e c t , K a r n a t a k a S t a t e , I n d i a , f o r c o n s t r u c t i o n o f c a n a ls , dams c r o s s d r a in a g e s t r u c t u r e s , e t c . ( K a t t i , 1 9 7 8 ; K a t t i e t a l 1 9 7 8 ). T h e d e v e lo p m e n t o f c o h e s io n i s fo u n d t o be r e l a t e d t o i n t e r a c t i o n o f e l e c t r i c a l c h a r g e on s u r f a c e and t h e d i p o l a r n a t u r e o f w a t e r , a s m e n tio n e d e a r l i e r . To u n d e r s t a n d t h e a b o v e e f f e c t s a n d t o s e e w h e th e r t h e r e e x i s t s a r e l a t i o n b e tw e e n t h e l a t e r a l p r e s s u r e and f o r c e s b a la n c in g o f i t a t s h a llo w d e p t h s , t h e f o l l o w i n g p h y s i c a l and m a t h e m a t ic a l m o d e ls have been p u t f o r t h . M ic r o P a r t i c l e

M odel

T he c l a y f r a c t i o n i n t h e e x p a n s iv e s o i l i s i d e a l i z e d b y a s s u m in g t h e p a r t i c l e s t o be c o n s i s t i n g o f z l e 2 u x 2 ji x 2 ^ w i t h s p l i t as sho w n i n F i g . 8 , w i t h a s p r i n g h a v in g e x p a n s io n c h a r a c t e r i s t i c s i n C d i r e c t i o n s i m i l a r t o t h a t o f m o n t m o r i l l o n i t e ty p e o f c l a y m in e r a l ( K u l k a r n i a n d K a t t i , 1 9 7 3 ) . W ith t h e h e lp o f t h i s m o d e l i t i s p o s s i b l e t o e x p l a i n e q u a l m a g n itu d e o f p r e s s u r e i n l a t e r a l a n d v e r t i c a l d i r e c t i o n s , on t h e b a s is o f t h e s t a t i s t i c a l d i s t r i b u t i o n o f th e

VERTICAL COMPONENT OF SWELLING PRESSURE

PREDOMINANT SWELLING ACTION 1

SYMBOLIC CLAY PARTICLE

MODEL OF CLAY PARTICLE

3

4

5

6

SWELLING , u a ) CLAY PARTICLE MODEL AND IT S EXPANSION

b ) ORIENTATION OF CLAY PARTICLES AND SWELLIN3 PRESSURE COMPONENTS F IG . 8.

r a n d o m ly d i s t r i b u t e d F i g . 8.

p a r tic le

MICRD-PARTICLE MODEL

a s show n i n

By c o n s id e r in g 1 /3 p a r t i c l e s d i s t r i b u t e d w ith t h e i r c a x i s o r i e n t e d i n e a c h o f t h e x , y and z a x e s , th e a p p a re n t e f f e c t o f th e p r e s s u r e becom es as th o u g h t h e p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n is is o tr o p ic in n a tu re . F u r th e r i t i s p o s s ib le t o r e l a t e t h e s w e l l i n g p r e s s u r e o f t h e m e d ia t o t h a t o f an i n d i v i d u a l p a r t i c l e u s in g t h e e q u a tio n . q 8W x

1

x

1

sw i

è W h e r e in , q

*

a

S w e llin g p r e s s u r e o f in d iv ic k ia l p a r t i c le ,

P

*

C la y c o n t e n t yi

q

a

m e a s u re d s w e l l i n g k g /c m 2 ; and

-

i n i t i a l v o id r a t i o

an e q u i v a l e n t k g /c ir

p re s s u re ,

S w e llin g and s w e l l i n g p r e s s u r e o f an i n d i v i & i a l p a r t i c l e ca n be c o r r e l a t e d show n i n F i g . 8 .

C) RELATIONSHIP BETWEEN SWELLING AND SWELLING PRESSURE ON AN IN D IV ID U A L CLAY PARTICLE

m in e r a l s w i t h e x p a n d in g l a t t i c e s t r u c t u r e , t h e o u tw a r d f o r c e s g e t d e v e lo p e d due t o t h e in g r e s s o f w a t e r i n t o t h e i n t e r l a y e r and c o h e s iv e f o r c e s a r e d e v e lo p e d a ro u n d th e c la y p a r t i c l e due t o f o r m a t i o n o f a d s o rb e d w a t e r . B o th th e s e a c t i o n s t a k e p l a c e s im u lt a n e o u s ly . H o w e v e r, t h e a d s o r b e d w a t e r f i l m may g e t f o r m e d , a ro u n d t h e p a r t i c l e a t a f a s t e r r a t e t h a n t h e in g r e s s o f w a t e r i n t o t h e i n t e r l a y e r c a u s in g e x p a n s io n . The c o h e s iv e f o r c e s t h u s d e v e lo p e d m ay be e f f e c t i v e i n r e s i s t i n g th e heave. I n o t h e r w o rd s t h e r e s i s t a n c e t o h e a v in g o r e x p a n s io n d e p e n d s on how much and how f a s t t h e c o h e s iv e f o r c e s a r e d e v e lo p e d a ro u n d th e p a r t i c l e . I n t h e m e d ia , h o w e v e r, i n c i p i e n t m ovem ent o f c e r t a i n c la y p a r t i c l e s w it h r e s p e c t to th e a d jo in in g ones r e s u lt s i n th e m o b iliz a t io n o f c o h e s io n . C o n s id e r in g i d e a l i z e d p a r t i c l e s as sh o w n i n F i g . 9 , i t ca n be show n t h a t QSw

■

3 . 3 3 Cu f o r c y l i n d r i c a l p a r t i c l e s ,

Q>w

-

5 . 0 Cy f o r c u b i c a l p a r t i c l e s

F o r g e n e ra l c o n d itio n ,

6WV

as

C o h e s io n M o d e l W o rk d o n e w i t h r e s p e c t t o t h e l a r g e s c a le t e s t o r i n t h e f i e l d h a v e show n t h a t h ig h m a g n itu d e o f s w e l l i n g p r e s s u r e i s b a la n c e d b y t h e c o h e s io n . To e x p l a i n t h i s , a c o h e s io n m o d e l i s p r o p o s e d ; b a s e d on s i m i l a r l i n e s t o t h a t o f K o z e n y 's i d e a l i z a t i o n f o r f l o w t h r o u g h p ip e s . I n t h i s c a s e s w e l l i n g p a r t i c l e s a r e m o v in g w i t h r e s p e c t t o t h e a d j o i n i n g a d s o rb e d w a t e r s y s te m w h ic h p o s s e s s e s v a r y i n g d e g re e o f c o h e s io n . The d e v e lo p e d c o h e s io n ca n be c o n c e iv e d as b e in g a b le t o b r i n g a b o u t t h e r e s i s t i n g f o r c e s t o c o u n te r a c t th e s w e llin g p re s s u re . I n c a s e o f c la y e y s o i l s h a v in g c l a y

W h e r e in , 1 9 8 0 ).

a is

shape f a c t o r

*

U

( J o s h i an d K a t t i ,

T h is m o d e l i n d i c a t e s t h a t e l e c t r i c a l e n v ir o n m e n t r a t h e r th a n t h e g r a v i t a t i o n a l f o r c e s y s te m a lo n e c o n t r o l s t h e o v e r a l l e q u ilib r iu m . T he a b o v e w o rk shows t h a t t h e d ra g f o r c e s , due t o a d s o r b e d w a t e r w h ic h i s c a u s in g c o h e s io n , a r e d e v e lo p e d when a c l a y p a r t i c l e i n s o i l d i s p la c e s w i t h r e s p e c t t o t h e c o n t in u o u s s a t u r a t e d a d s o r b e d w a t e r . SETTLEMENT CHARACTERISTICS OF CLAYEY DEPOSITS UNDER IN F IN IT E F IL L Many lo w l y i n g a re a s i n c o a s t a l and la k e d e p o s it s a r e in u n d a t e d d u r in g h ig h t i d e s on e x tr e m e r a i n y s e a s o n . I n l a r g e nu m b e r o f c a s e s , 1 . 0 t o 3 . 0 m o f f i l l i s n o r m a ll y a d o p te d f o r r e c l a m a t i o n . M any o f t h e s e

939

ELECTR IC AL CHARGES

SOLID PAR TIC LE S

WATER ENTERING INTRA LA Y E R

A LT E R E D W ATER GIVING' COHESION

DEVELOPING SWELLING FORCE

a) SOIL P A R T I C L E S RELATION

EXPANDING

TO A L T E R E D

IN

WATER

SYSTEM

b)EXPANDING

PARTICLE

(Kozeny’s reverse model) W ATER UNDER THE INFLUENCE OF ELECTRICAL CHARGES

o c a -

S * = R E S IS T A N C E

FORCE

q sw i

= SW ELLING PRESSURE DUE INDIVIDUAL PARTICLE

qsw

=

S W E LLIN G PRESS U R E OF EQUIVALENT CUM ULATIVE SOIL PARTICLE

IN A VOLUME

Axd

forces

P = A s - q s w i = A-qsw = o c A .S i+ W c) Forces on invidual expan d i n g F IG .9 .

particle

CONCEPTUAL OOHESION MODEL

d e p o s it s c o n s i s t o f a c la y e y s o i l s a l t e r n a t i n g w i t h s i l t y C la y , s a n d , e t c . S o m e tim e s v e r y s o f t c la y s a r e u n d e r ly in g v e r y s t i f f c l a y s . A n n a tte m p t i s made t o v i s u a l i z e t h e r o l e p l a y e d b y t h e a d s o rb e d w a t e r i n r e s p e c t o f s e t t le m e n t c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c l a y - w a t e r s y s te m s u b je c t e d t o i n f i n i t e f i l l l o a d i n g . A s a t u r a t e d a d s o rb e d w a t e r c l a y s y s te m may be p i c t u r i s e d as c l a y p a r t i c l e s c o n n e c te d t o e a c h o t h e r b y s p r in g a t p a r t i c u l a t e l e v e l . R e fe r F i g . 1 0 . When t h e s o l i d p a r t i c l e s t r y t o move u n d e r a s t r e s s i t c a n be e x p e c te d t h a t t h e c o h e s io n due t o t h e b o n d s i n a d s o r b e d w a t e r a ls o n e e d t o be o v e rc o m e . From t h i s i t c a n be s t a t e d t h a t th e s t r e s s t r a n s m i t t e d t o a c l a y an d o t h e r s o i l p a r t i c l e s a t d e p th s i s n o t s i m i l e r t o t h a t o b t a in e d b y n o rm a l s t r e s s d i s t r i b u t i o n t h e o r i e s . F or th is

940

d) Expanding particle with a d s o r b e d w a t e r layer resisting the expansive

p u rp o s e , i t i s n e c e s s a ry to ta k e in t o c o n s id e r a tio n th e s tr e s s t r a n s m itt e d to a d s o rb e d w a te r a ls o .

th e

When t h e s t r e s s t r a n s m i t t e d f r o m a f i l l lo a d i s much l e s s t h a n t h e c o h e s iv e f o r c e du e t o a d s o r b e d w a t e r b o n d s i n t h e u n d e r ly in g c l a y - w a t e r s y s te m , t h e p o r e p r e s s u r e may n o t d e v e lo p . S e c o n d ly a d s o r b e d w a t e r may p r o d u c e d r a g on t h e s o i l p a r t i c l e s a n d t h u s t h e s tr e s s e s t r a n s m itt e d fro m g r a in t o g r a in in t h e l a y e r b e lo w , may n o t be o f c o n v e n t i o n a l ty p e . I n such a s it u a t i o n v e ry l i t t l e s tr e s s i s t r a n s m i t t e d t o lo w e r l a y e r and t h e s e t t l e ­ m e n t may n o t be as p d r t h e c a l c u l a t i o n b a s e d on n o rm a l c o n s o lid a tio n th e o r y .

However, if the loads acting are higher than

Case II IDEALIZED CLAY PARTICLE.

COMPRESSIBILITY CHARACTERISTIC

ABSORBED WATER HAVING COHESION

I n H a ld i a s i m i l a r s o f t c la y e y s t r a t a i s o v e r l a i n b y 3 t o 4 m o f s t i f f c l a y , as show n in F ig . 1 1 . When an i n f i n i t e f i l l s i m i l a r t o t h a t i n Bombay M a r in e c l a y was p la c e d on t o p o f i t , h a r d l y a n y s e t t le m e n t was o b s e r v e d . I n r e a l i t y as p e r t h e n o r m a l m e th o d o f a n a l y s i s f o r s e t t l e m e n t th e g r o u n d s h o u ld h a v e s e t t l e d c o n s i d e r a b l y h i g h , a s i n c a s e o f Bombay M a r in e c l a y b e c a u s e o f t h e p r e s e n c e o f v e r y s o f t c la y b e lo w s t i f f c l a y . T h is e f f e c t may be a t t r i ­ b u t e d t o d ra g f o r c e s c a u s e d b y t h e a d s o rb e d w a t e r on t h e p a r t i c l e s t r y i n g t o c a u s e d i s p l a c e ­ m e n t / s e t t l e m e n t i n th e s t i f f l a y e r . As t h e r e s i s t i n g f o r c e s du e t o c o h e s iv e b o n d a r e h i g h e r t h a n f i l l lo a d s , t h e t y p e o f s e t t le m e n t i s d i f f e r e n t ( K a t t i e t a l , 1 9 7 6 ). 7O " 0-5 3-5

0

BROWNISH GREY SILTYCLAY (ML—CL) /

l1 , > / / / . / / j / / / ^ * / / j j-

1 8 nr CONCEPTUAL SATURATED ADSORBED WATERCLAY SYSTEM SUBJECTED TO F IL L LOAD

16 -IV

t h e c o h e s iv e b o n d s , t h e r e i s a p o s s i b i l i t y o f b r e a k in g o f a d s o rb e d w a t e r b o n d s and c h a n g in g in t o a d i f f e r e n t ty p e o f b o n d . O nce t h e b o n d s b r e a k t h e m a t e r i a l may a p p e a r as th o u g h i t i s c o n v e n t i o n a l p a r t i c u l a t e s y s te m w i t h d e v e lo p ­ m ent o f p o re p r e s s u r e . I n c a s e , t h e c o h e s iv e f o r c e s a r e f a r h i g h e r t h a n t h e lo a d c o m in g on th e m , t h e d ra g f o r c e h a s t o be ta k e n ¡n 't© a c c o u n t a n d t h e s e t t l e m e n t e q u a tio n s o f t h e f o r m g i v e n b e lo w may b e d e v e lo p e d .

* 2* X Q. V o 32 ■

F IG .1 0 .

T o ta l Sn

s e ttle m e n t

■

Rml ' r [ R»1

a

W h e re ,

n .ß

-

po

p -

n .p

+ po

= shape f a c t o r .

P

= Na 4 1 2 .C u

p

*

a p p li e d p r e s s u r e d r a g f o r t e d e v e lo p e d due t o c o m p r e s s io n o r c o n s o l i d a t i o n

N . « n o . o f c la y la y e r ; and = w id t h

p a r tic le s

o f c la y

p e r u n it

p a r tic le .

T h e a b o v e m e n tio n e d e f f e c t s 2 s itu a tio n s in In d ia .

a re o b s e rv e d in

C ase I In 0 .1

c a s e o f Bombay m a r in e c l a y h a v in g to

w h ic h

2

0 .1 5 is

0*15

0-75 2-0 0-225 0-9

0.53

0.4 6 1-29

L0 ■VI

¿8 'Vff 52 __ vnj

0.16

0-9

-

0*6

B-4 AT H A L A D I A .

po a i n i t i a l p re s s u re

1

Cu,kg/cm Cç g 0.20 0-74 1-28 0*335 MO 0-53

FIG.11 • p -

a

Cu -

b -4

k g /c m 2 a f i l l

e q u iv a le n t

to

C(J =

o f even 1 .0 t o

s tre s s

o f 0 .1 8

to

2 . 0 m, 0 .3 5

k g /c m , p r o d u c e d 15 t o 2 0 cm s e t t le m e n t a lm o s t as p e r th e c o n v e n t i o n a l t h e o r y . In t h i s case t h e a p p l i e d f i l l lo a d i s a d e q u a te t o b r e a k t h e c o h e s iv e b o n d s . ( K a t t i e t a l , 1 9 7 4 ).

I n v ie w o f t h i s i t a p p e a rs t h a t th e m a g n itu d e o f c o h e s io n i n r e l a t i o n t o n a t u r e o f f i l l a n d i t s e x t e n t may h a v e c o n s id e r a b le e f f e c t on s e ttle m e n t a s p e c ts . T h is b e h a v io u r w i l l a f f e c t c o n s id e r a b ly t h e im p ro v e m e n t o f s o f t c l a y u n d e r l a i n b y s t i f f c l a y u s in g p r e lo a d in g t e c h n iq u e . T h is i s v e r y i m p o r t a n t i n c a s e o f c o m p u t a t io n o f n e g a t i v e s k i n f r i c t i o n . T h is a s p e c t i n f l u e n c e s c o n s id e r a b ly t h e s h e a r s t r e n g t h d e v e lo p m e n t i n c la y e y s o i l s . I t i s a p p r e c ia t e d t h a t t h e p a n e l i s t s c o u ld e n l i g h t e n o n s i m i l a r s i t u a t i o n and s u g g e s t a p p ro a c h t o be a d o p te d f o r f u t u r e r e s e a r c h . T h is w i l l h a v e c o n s id e r a b le b e a r in g on im p ro v e m e n t o f c la y e y s o i l s u s in g f i l l s an d a l s o b y s a n d d r a i n s , e s p e c i a l l y when t h e u p p e r c r u s t i s h a v in g v e r y h ig h c o h e s io n . F rom t h e a b o v e d i s c u s s io n i t i s c l e a r t h a t i t we w a n t t o make s c i e n t i f i c p r o g r e s s i n t h e a r e a o f s o i l im p ro v e m e n t o f c o h e s iv e s o i l s , i t may be n e c e s s a r y t o v ie w t h e s a t u r a t e d c l a y - w a t e r s y s te m n o t m e r e ly tw o p h a s e s y s te m c o n s i s t i n g o f s o i l p a r t i c l e and l i q u i d w a t e r ; b u t as a t h r e e p h a s e s y s te m c o n s i s t i n g o f s o i l p a r t i c l e s , w a t e r and w e ig h t l e s s e l e c t r i c a l e n v ir o n m e n t w ftic h i n f l u e n c e s b o t h c l a y and w a t e r s y s te m . L a c k o f m e a s u r in g in s t r u m e n t s t o e v a lu a t e b o n d s t r e n g t h b e tw e e n w a t e r m o le c u le s a n d b e tw e e n w a t e r m o le c u le and s o i l

941

B la c k C o t t o n S o i l d e p o s it s , P r o c . 4 7 t h R e s . s e s s io n o f C e n t r a l B o a rd o f I r r i g a t i o n a n d P o w e r, V o l . l , p p . 15 3» 1 7 9 , H u b li - D h a r w a r .

p a r t i c l e h a s c o n s id e r a b ly h a m p e re d th e d e v e lo p m e n t o f m e c h a n ic s g o v e r n in g Im p ro v e m e n t o f s a t u r a t e d c l a y - w a t d r s y s te m . The p a n e l i s t s may k i n d l y c o n s id e r d i s c u s s in g v a r io u s p o in t s b ro u g h t a b o u t in t h is p a p e r. T he d i s c u s s i o n w o u ld c e r t a i n l y h e lp r e s e a r c h w o r k e r s i n t h e f u r t u r e w o rk i n t h e a r e a o f im p r o v e m e n t o f c o h e s iv e s o i l s u s in g i o n and a d s o rb e d w a t e r l a y e r c o n c e p t .

K a tti,

K a tti,

ACKNOWLEDGEMENT T h a n k s a r e due t o C e n t r a l B o a rd o f I r r i g a t i o n an d P o w e r, New D e lh i f o r s p o n s o r in g w o r k on V a r io u s A s p e c ts o f E x p a n s iv e S o i l s w h ic h h a s l e d t o s t u d y t h e b e h a v io u r o f c la y e y s o i l s i n d e p th . T h a n k s a r e a ls o due t o D r . A .K . De and P r o f . R .E . B e d f o r d , D i r e c t o r s , I . I . T . Bombay f o r t h e i r e n c o u ra g e m e n t. H e lp r e n d e r e d f o r t h e p r e p a r a t i o n o f t h e r e p o r t o f D r . U .V . K u l k a r n i , Ex R e s e a rc h O f f i c e r a n d S h r i E .S . B h a n g a le , R e s e a rc h O f f i c e r , C . B . I . P . P r o j e c t i s a c k n o w le d g e d . A s s is t a n c e o f s t a f f m em bers o f G e o te c h . E n g g . S e c t io n i s h i g h l y a p p r e c ia t e d .

R .K ., e t a l. (1 9 6 7 ). S t a b iliz a t io n o f Bombay M a r in e c l a y w i t h v a r i o u s I n o r g a ­ n i c a d d i t i v e s , C o n f . 2 n d S o u th A s ia n on S o i l E n g in e e r in g , p p . 5 8 9 - 5 9 9 , S in g a p o r e . e t a l. (1 9 7 4 ). R e p o r t o n G e o t e c h n ic a l in v e s t ig a t io n o f th e ocean be d a t th e Bombay H ig h r e g i o n f o r S a g a r S a m ra t, S u b m it te d t o P r o j e c t M a n a g e r, O i l a n d N a t u r a l g a s C o m m is s io n , Bombay O f f s h o r e P r o j e c t , p p . 1 - 5 7 , Bom bay.

K a tti,

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P a v a te ,

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S k e m p to n , A .W . ( 1 9 6 4 ) . L o ng t e r m s t a b i l i t y o f c l a y s lo p e s . The F o u r t h R a n k in e l e c t u r e , M ile s t o n e s i n S o i l M e c h a n ic s , I n s t i t u t e o f C i v i l E n g in e e r s , p p . 8 1 -1 0 8 , London. Van O lp h a n , H . ( 1 9 6 3 ) . C la y C o l l o i d C h e m i's tr y 1 s t B d it io n , p p . 1 -3 0 1 , In t e r s c ie n c e P u b l i s h e r s , New Y o r k .

W.R. Mackechnie, Panelist I would like to compliment Prof Katti for his leading paper particularly that portion which refers to chemical stabilization by ionic^exchange. There is a very real need for the Geotechnical engineer to grasp the nettle of the fundamentals of clay mineralogy if any advance is to be made in this subject area. For at least three decades now we have relied on empirical approaches to chemical stabilization and this will not serve our purpose well. Recall your own experience gentlemen; they probably parallel mine. These are the typical areas; chemical stabilization largely with cement or hydrated lime has been found to be a modifying agent in making heavy soil of high plasticity index manageable, it has been used to justify the use of borderline materials for road construction because we find that in laboratory conditions we can persuade ourselves that a small optimum percentage of additive will bring the P.I. within specification or produce a C.B.R. or unconfined strength that meets an empirical standard. If we have persisted we may have found that for instance in using a base exchange process to convert a calcium rich montmorillorite to a sodium rich one to serve as a bentonite that only particular ranges of temperature, pH and solution concentrations of specific chemicals will achieve this. At this stage of experience we are probably beginning to be able to formulate the questions we must put to the colloid chemists and nuclear physicists. However the majority of us will find our background in chemistry too sparse or we may simply be frightened by molecules and ions which are both too small to see and which complicate analysis by constant movement. My plea therefore is for a greater educational input in clay mineralogy. An engineering graduate must be able to talk in terms of cation exchange capacity, sodium

absorption ratio, isomorphous substitution, and similar related terms and further be able to attach numerical values to these terms with the same facility with which he thinks of plasticity index activity and shear strength. Only then will we be able to place chemical stabilization in a category more advanced than cookery which I regret to say is still too often the situation today. My other concern is for the application of chemical stabilization to practice, the micro studies of the laboratory are applied on a macro scale in the field. I remain convinced that too often we fool ourselves into believing that chemical stabilization has achieved the improvements which in reality are due to a bonus of say negative pore water pressure and not to ionic bonding at all and that we have in fact a very variable stabilised product with significant zones of defect in which the stabilizer is probably totally absent. I worry also a great deal about the increase in strength with age attributed to stabilizers such as lime and cement, Does our testing take into account the potential but small reductions in moisture content for instance? In terms of strength improvement this will probably be confined to the lower end of the spectrum of shear strength but I believe the real advantage of the method will be found to lie in modifications to soils such as the reduction in the tendency to disperse by calcium substitution for sodium for instance. Finally Mr Chairman it is heartening to see papers to this conference coauthored by engineers and soil chemists. I found it very encouraging also to see a paper presented in South Africa recently by a soil scientist, Prof Harmse which quite independently of Prof Katti's paper sets out for the civil engineer the chemical stabilization and clay mineralogy situation as it is understood today in almost identical terms. At last we appear ready to take the next step forward in this subject area.

T. Yamanouchi, Panelist SOFT COHESIVE SOIL EMBANKMENT USING QUICKLIME AND FILTER FABRIC Mr. C h a i r m a n , l a d i e s a n d g e n t l e m e n . I would l i k e to s p e a k a b o u t a m e t h o d o f s o f t c l a y embankment using quicklime and filter fabric w h i c h has b e e n c o n t r i v e d by m y s e l f (Yaman o u c h i , et al., 1 9 6 7 , 1 9 7 1 , 1 9 7 6 ) . Before doing that, I w o u l d l i k e to g i v e a c o m m e n t o n t h e p r e s e n t techniques of soil improvement. There have q u i t e m a n y b e e n i n v e n t e d o n t h at. H o w e v e r , the r e s p o n s e s to the m o t i v e f o r c e s in s o i l i m p r o v e ­ m en t are still r e s t r i c t e d w i t h i n a p ar t a p p l i c a ­ tions m e rely adopting a m o n o t y p e relation among v a r i o u s o n e s as s h o w n in T a b l e 1 ( N o z a k i , 1965) w h i c h shows t hese r e l a t i o n s h i p s , and w e are g i v e n s o m e s u g g e s t i o n s o n t h e n e w a p p r o a c h e s to s o i l i m p r o v e m e n t f r o m the T a b l e . The method w h i c h is g o i n g to b e s p o k e n c a n b e s a i d to h a v e adopted a few kinds of forces multiplly. But, t h i s m e t h o d is v e r y s i m p l e in p r a c t i c e u n l i k e the c o n v e n t i o n a l a d m i x i n g method. T h e p r i n c i p l e of m y m e t h o d m a y be u n d e r s t o o d by Fig. 1. S p e a k i n g about the m u l t i p l e a p p l i c a ­ tions of m e c h a n i c a l , p h y s i c a l and c h e m i c a l f o r c e s , t h e f o l l o w i n g a c t i o n s a r e i t e m i z e d in s u c c e s s in the e m b a n k m e n t w o r k .

(1) T h e c o n s o l i d a t i v e d e w a t e r i n g o w i n g to t h e additional consolidation pressure arises besides t h a t o w i n g to t h e o r d i n a r y e f f e c t i v e o v e r b u r d e n p r e s s u r e , r e s u l t i n g f r o m t h e e x p a n s i o n of q u i c k l i m e at t h e e a r l y s t a g e o f t h e h y d r a t i o n o f quicklime. This seems i r r a t i o n a l , but the a d d i ­ tional vertical pressure actually arises e s ­ p e c i a l l y w h e n q u i c k l i m e is s p r e a d p r o v i d i n g an enou g h space of n o n - q u i c k l i m e . This was proved b y a l a b o r a t o r y e x p e r i m e n t as s h o w n b y Fig. 2. (2) A d s o r p t i o n o f w a t e r f r o m t h e s o i l d u e to the h y d r a t i o n of q u i c k l i m e . In t h i s s t a g e , a f l o w d u e to o s m o s i s m i g h t a r i s e t o w a r d q u i c k l i m e f r o m t h e s o i l t h r o u g h t h e s h e e t m a k i n g it a k i n d of s e m i - p e r m e a b l e m e m b rane. (3) A c o n s i d e r a b l e r i s e o f t e m p e r a t u r e in the soil c a u s i n g by the h e a t d i s c h a r g e of q u i c k l i m e d u r i n g its h y d r a t i o n . This brings about a r e ­ d u c t i o n o f c o e f f i c i e n t o f p e r m e a b i l i t y o f the s o i l to m a k e the d r a i n e f f e c t e a s i e r p a r t i c u l a r ­ ly in c o l d s e a s o n . (4) C a r b o n d i o x i d e i n c l u d i n g in t h e s o i l c h a n g e s s l a k e d l i m e to c a l c i u m c a r b o n a t e a f t e r a c e r t a i n p e r i o d and the r e s u l t e d c o m p o u n d p r o ­ v i d e s a k i n d o f r e i n f o r c e m e n t to t h e w h o l e em-

943

Table 1 \

M otive \force

Mechanical force F

Response^

Mechanical d

Thermal s

Rayey

Responses resulted from mechanical, physical and chemical forces (Nozaki, 1965)

D

M a g netic B

Chemical C

T

Light HR

Electricity

Magnetism

E

Adiabatic Thermal expansion (Joule- capacity, Tho m s o n effect) thermal conductivity

Radiation heat

Tripolyluminescence

Black-body radiation, thermolumine­ scence

Razer, mazer, luminescence

P iezoelectric effect, triboelectricity

P iezoelectric effect, m a g n e ­ tostriction effect

Chemistry

M

V iscoelasticity, Expansion, Light pressure, Peak inversethixotropy, pore freezing, change radioactive voltage , wat e r pressure ray, hardening of viscosity impulse current, solidification

n

Electric

Temperature

Inverse pyloelectricity, Peltier effect, Joule’ s heat

P

Magnetostriction

Seeapage force, chemicomechanical phenomenon, chemical rheology

Adiabatic demagnetization

Reaction heat, freezing mixture

Electric luminescence

Magnetic field luminescence, Faraday effect

Chemical luminescence

Light battery, Pyloelectricity, thermoelec­ p hotoelectric tricity, thermo­ effect electro -motive force

Polarization, electric ca p a c i ­ ty, conduction

MH D generation of electricity

Battery, ferromagnetic ferroelectries

Thermal magnetic effect

P hotomagnetic resonance

Electromagnetic induction

Magnetization effect

Alloy, ferrite, ferromagnetic body

Photographical effect, photopolimerization

E lectric a n aly­ sis, electr o p h o ­ resis, electroosmosis

M agneticCatalysis, chemical reaction, bio-reaction descale, water treatment

Seepage pres­ Diffusion sure, dewater­ separation, ing phenomenon, phase a l ter­ impact alteration ation

b a n k m e n t b o d y , as s e e n b y Fig. 3. As these r e s u l t s , a s m a l l v e h i c l e c o u l d t r a v e l on the e m ­ b a n k m e n t in a p a s t i n - s i t u e x p e r i m e n t . E f f e c t s as a b o v e m e n t i o n e d a r e i n d i c a t e d w i t h u n d e r l i n e s in T a b l e 1.

! ©

P—

©

©

Spreading types of quicklime At right above cardboard

Movement of water

.©

I I ) I I c'° r O„oao * D,o,n \ gOooC,° d 0QUlck11me ri^ ! t Vi l t I t~ Cloy Filter (B) Detail of sandwich layer $i

(A) Genero! section of performance

0

10'

10J

10"

Elapsed time (min) At the height of 15cm above cardboard

Fig.

1

F e a ture of the E m b a n k m e n t method

W e l l , I s h o u l d i n t r o d u c e a c a s e h i s t o r y in w h i c h the a b o v e m e t h o d w a s s a t i s f a c t o r i l y s u c c e s s f u l r e c e n t l y in a b i g a n d h i g h e m b a n k m e n t w i t h a s o f t c o h e s i v e s o il. S p e c i f i c a t i o n s for the e m ­ b a n k m e n t w o r k a r e s h o w n b y Fig. 4, a n d t h e f o r ­ m a t i o n l e v e l f o r t h e e a r t h w o r k w a s d e c i d e d to be t h e top o f t h e c r i b r e t a i n i n g w a l l b u i l t at the p a r t o f s l o p e toe. Each sandwich layer was made of g r a n u l a r q u i c k l i m e of 5 cm t h i c k b e i n g s a n d ­ w i c h e d b e t w e e n two sheets of p o l y p r o p y l e n e n o n ­ w o v e n f a b r i c b e l t , 30 c m w i d e a n d 0 . 3 cm t h i c k , as s h o w n b y Fig. 5. Such s a n dwich layers laid w i t h a s p a c e o f 2 . 1 m b e t w e e n t h e c e n t e r s in the h o r i z o n t a l d i r e c t i o n a n d w i t h a p i t c h o f 1.8 m

944

M D

Elapsed time (min)

Fig.

2

Expansion effect in l a b o r a t o r y

of q uicklime

in t h e v e r t i c a l d i r e c t i o n , f o r m i n g a t r i a n g l e on t h e b e l t c o n f i g u r a t i o n in t h e c r o s s s e c t i o n o f the embankment. C o n s o l i d a t i o n c a l c u l a t i o n s of t h e e m b a n k m e n t w e r e m a d e a f t e r the m a n n e r o f B a r r o n (1948). A l s o , t h e s a f e t y f a c t o r f o r the s l i d e f a i l u r e w a s i n v e s t i g a t e d in r e l a t i o n to t he

A

s e c tio n

Filter (Special

Cone bearing copacity

Height of improved

(kN/m2) Fig.

F ig.

3

6

R e i n f o r c e m e n t of the e m b a n k m e n t at a f i e l d e x p e r i m e n t

soil layer h (m)

Safety factor for slide failure on t h e e m b a n k m e n t h e i g h t

V

Earthwork speed »0.17 m/day

Necessary valu of Fs for long term stability Necessary value of Fs during earfh work ________ I_____ 5 10 15 20 Height of embankment from the formation level (m) Fig.

7

C h a n g e o f s a f e t y f a c t o r d u e to the e a r t h w o r k s p e e d

Section 'i Fig.

4

Specifications ment

of the h i g h e m b a n k ­

Non-woven fa b ric (d e n se )

0. N o n -w o v e n fa b ric

Fig.

5

(c o a rse )

S e c t i o n of the f i l t e r sheet

em b a n k m e n t h e ight and the e m b a nkment w ork speed, as s h o w n b y F i g s . 6 a n d 7. A c o m p a r i s o n of m e a s u r e d and c a l c u l a t e d v e r t i c a l p r es s u r e s was m a d e at a p o i n t o n t h e b o t t o m s u r f a c e o f t h e e mb a n k m e n t , and the p r e s s u r e ratio show e d about 150% i n d i c a t i n g a fact of a r i s i n g the a d d i t i o n a l v e r t i c a l p r e s s u r e ’d u e to t h e t h r e e - d i m e n s i o n a l e x p a n s i o n o f q u i c k l i m e a c c o m p a n y i n g a b o u t 50% i n c r e a s e o v e r a t e r m o f 20 d a y s , as s e e n b y Fig. 8.

59. Volyrne 4

Fig.

8

Measured and calculated vertical p r e s s u r e s in the e m b a n k m e n t

945

Weight Wsw (kN) 05_________10

Non-treated (3 days)

Value of Nsw 10_____ 20_____ 30_____ 40

n r I

- U

- X

M4_da_ys_)_| Q

(6 days)

-1 .5

Improved by 1 sandwich layers -2.0 Fig.

9

V e r t i c a l s t r e n g t h of the i m p roved embankment

Fig.

11

A n a e r i a l v i e w of the c o m p l e t e d embankment

N o z a k i , H. ( 1 9 6 5 ) . Me c h a n i c a l and chemical f o r c e s in s o i l s t a b i l i z a t i o n . Seminar textbook o n S o i l C h e m i s t r y , J a p a n e s e Soc. E l e c t r o c h e m i s ­ try. (in J a p a n e s e ) .

Fig.

10

Depthwise embankment

investigations

of the

T h e e m b a n k m e n t s o i l w a s r e a s o n a b l y i m p r o v e d on v a r i o u s i n d e x e s , as s h o w n b y F i g s . 9 a n d 10. F i n a l f i g u r e , Fig. 11, s h o w s a n a e r i a l v i e w o f the c o m p l e t e d e m b a n k m e n t w h i c h w a s a c h i e v e d u s i n g the n e w method. References B a r r o n , R. A. ( 1 9 48). C o n s o l i d a t i o n of f i n e ­ gra i n e d soils by drain wells. T r a n s . A S C E , Vol. 113, pp. 7 1 8 - 7 5 4 .

Y a m a n o u c h i , T. e t al. ( 1 9 6 7 ) . Multiple-sandwich m e t h o d of s o f t - c l a y b a n k i n g u s i n g c a r d b o a r d wicks and quicklime. P r o c . 3 r d A s i a n Reg. C o n f . S o i l M e c h . a n d F o u n d . E n g r g . , H a i f a , V o l . 1, pp. 256-260. Y a m a n o u c h i , T. et al. ( 1 9 7 1 ) . In-situ experi­ m e n t s on soft c l a y b a n k i n g b y m e a n s of m u l t i p l e sandwich m e t h o d using c a rdboard wicks and q u i c k ­ l i me. P r o c . 4 t h A s i a n Reg. C o n f . S o i l M u c h , a n d F o u n d . E n g r g . , B a n g k o k , V o l . 1, pp. 3 4 2 - 3 4 5 . Y a m a n o u c h i , e t al. ( 1 9 76). Soft Clay banking u s i n g s a n d w i c h l a y e r s in s i t u m a d e o f w i c k e d c a rdboard and quicklime. N e w H o r i z o n s in C o n ­ s t r u c t i o n M a t e r i a l s , ed. b y H - Y F a n g , E n v o P u b l i s h i n g C o . , I n c . , pp. 2 1 1 - 2 2 3 .

G.V. Rao and T. Ramamurthy (Written discussion) "ALTERATION OF SOIL PARAMETERS BY STABILIZATION WITH LIME" (Paper by H. Brandi, Vol. 3, p. 583) A t t h e I n d i a n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ,D e l h i , an e x t e n s i v e i n v e s t i g a t i o n is u n d e r w a y i n t o t h e var i o u s aspects of the e n g i n e e r i n g b e h a v i o u r of li m e - f l y ash s t a b i l i z e d soils. Two aspects of their b e h a v i o u r are c o n s i d e r e d here. A t t e r b e r g Limits: Extensive literature review reveals that the a d d i t i o n of lime t o s o i l o r t o s o i l - f l y ash admixtures increases the p l a s t i c limit w h e reas the l i q u i d l i m i t i n c r e a s e s in c e r t a i n cases and d e c r e a s e s , in o t h e r c a s e s , g i v i n g a n i n d i c a t i o n that mechanisms controlling these behaviours may be d i f f e r e n t from each other.

946

Fig.l shows the imme d i a t e e f f e c t of a d d i ­ t i o n o f l i m e t o a s i l t ( L L = 2 7 , P I = 1 8 , S a n d 33%, S i l t 5 4 % , C l a y 13%) a n d a b l a c k c o t t o n s o i l ( L L = 5 6 , P I = 2 6 , S a n d 1 4 % , S i l t 43%, C l a y 3 8%). I t is s e e n t h a t t h e a d d i t i o n o f l i m e (no c u r i n g ) g e n e r a l l y i n creases the liquid limit of silt w h e r e a s it d e c r e a s e s t h a t o f b l a c k c o t t o n s o i l . T h i s b e h a v i o u r is v e r y s i m i l a r t o t h a t p r e s e n t e d b y t h e a u t h o r f o r S o i l II a n d I r e s p e c t i v e l y . The add i t i o n of d i v a l e n t C a l c i u m has two effects: f i r s t ly the t h i c k n e s s of the d i f fu s e double layer decr e a s e s b e c a u s e of d i v a l e n c y and this b r i n g s down the l iq u i d limit; s e c o n d l y a t t r a c t i v e f o r c e is i n c r e a s e d a n d h e n c e f l o c c u -

l a t i o n t e n d s t o t a k e p l a c e , w h i c h l e a d s to h i g h e r l i q u i d limit. T h e s e t wo e f f e c t s are o p p o s i t e in t r e n d . F o r a s w e l l i n g soil like b l a c k cotton soil, the first e f f e c t d o m i n a t e s & f o r a n o n - s w e l l i n g s i l t , t h e s e c o n d e f f e c t is predominant. If l i q u i d l i m i t is r e g a r d e d a s t h e w a t e r c o n t e n t a t w h i c h s u f f i c i e n t f r e e w a t e r is p r e ­ sen t to allow clay p a rticles to slip one a n o t h e r under certain applied force and retain these new posi t i o n s ( W a r k e n t i n ,1960), then the liquid l i m i t in a l l s o i l s s h o u l d b e c o n t r o l l e d b y s h e a ­ ring resistance. B u t in the c a s e of s o i l s h a v i n g e x p a n d i n g type of lattice m i n e r a l s , the c o n t r i b u t i o n due to d i f fuse d o u b l e layer o v e r ­ r i d e s a n d p r i m a r i l y g o v e r n s the l i q u i d limit. T h u s s o i l s c o n t a i n i n g e x p a n d i n g l a t t i c e t y p e of m i n e r a l s (illite a n d m o n t m o r i l l o n i t e ) are b o u n d to b e h a v e in a d i f f e r e n t w a y c o m p a r e d t o the o t h e r less ac t iv e soils.

T h o u g h t h e s a m e f a c t o r s h a v e b e e n m e n t i o n e d as c o n t r o l l i n g the l i q u i d limit, it s h o u l d b e k e p t in m i n d t h a t p l a s t i c limit r e p r e s e n t s the lower l i m i t a t w h i c h p l a s t i c i t y is o b s e r v e d ; h e n c e t h e s h e a r i n g r e s i s t a n c e in t h i s c a s e is o f m u c h h i g h e r o r d e r ( t h o u g h i t is n o t m e a s u r e d b y a n y r es e archer) and the d i f f u s e do u b l e l a ye r t h i c k ­ n e s s , i n q u e s t i o n , is a l s o m u c h l o w e r . T h u s , in t h e c a s e o f p l a s t i c l i m i t , t h e i n c r e a s e in s h e a ­ ring re s i s t a n c e at i n t e r p a r t i c l e level d o minates t h e e f f e c t o f d o u b l e l a y e r t h i c k n e s s , f o r all s o i l s a n d c o n t r o l s the p l a s t i c limit. Shear strength parameters: T h e s t r e n g t h p a r a m e t e r s in b o t h t o t a l a n d effective stress conditions obtained through consolidated undrained triaxial compression testing, wit h back pressure, at low confining p r e s s u r e s , a r e s h o w n in F i g . 2 f o r s i l t . I t is c l e a r t h a t b o t h 0 a n d 0' i n c r e a s e w i t h l i m e content, b u t are i n d e p e n d e n t of c u r i n g period. T h e v a l u e s o f c as w e l l as c 1 i n c r e a s e w i t h l i m e c o n t e n t as w e l l a s c u r i n g p e r i o d . W A R K E N T I N , B . P . ( 1 9 6 0 ) , " I n t e r p r e t a t i o n o f the Upper P l a stic Limit of Clays," Nature, V o l . 190, p p . 2 8 7 - 2 8 8 .

SOS. : SUT ------

TOTAl STRESS PARAMETERS

Fig. 1. Effect of addition of lime on plasticity limitsF i g . 1 f u r t h e r r e v e al s that, the a d d i t i o n of lime decreasesthe plastic limit for both soils. T h i s a g a i n is s i m i l a r t o t h e r e s u l t o b t a i n e d by the author and s e v eral ot h e r r e s e a r ­ chers. Two factors are r e s p o nsible for c o n t r o l ­ ling the p l a s t i c limit — the s h e a r i n g r e s i s t a n c e at p a r t i c l e l e v e l a n d d i f f u s e d o u b l e layer.

Fig. 2. Effect of addition of lime on strength parameters

M. Terashi and H. Tanaka (Written discussion) ON THE PERMEABILITY

OF CEMENT-AND LIME-TREATED SOILS

I n t h e G e n e r a l R e p o r t o f t h e S e s s i o n 12, M i t c h e l l and Katti s t a t e d that it was n o t cl e a r w h e t h e r lime c o l u m n s a c t as s a n d drain, c o m p a r i n g the p a p e r s b y T e r a s h i ,and T a n a k a vs H o l m e t al. To c l a r i f y the p o i n t o f c o n t r a d i c t i o n p o s e d b y the Gen e r a l Reporters, the w r i t e r s of the d i s c u s s i o n w i s h to s h o w the i n e f f e c t i v e n e s s o f the t r e a t e d s o i l s as d r a i n m a t e r i a l . P e r m e a b i l i t y of Cem e n t - and L i m e - t r e a t e d Soils Permeability of treated soils by Deep Mixing M e t h o d has b e e n s t u died by the cons t a n t hea d p e r m e a b i l i t y t e s t s (Terashi e t al., 1980). M a r i n e s o i l t e s t e d is K a w a s a k i C l a y w h i c h is a

typical Japanese m arine clay h a v i n g the natural w a t e r c o n t e n t o f 95%, l i q u i d l i m i t o f 9 3%, p l a s ­ t i c i t y i n d e x o f 50 a n d c l a y c o n t e n t o f 60%. P e r m e a b i l i t y o f c e m e n t - t r e a t e d s o i l is s h o w n in Fig. 1 w h e r e o r d i n a t e s h o w s the l o g a r i t h m o f the p e r m e a b i l i t y , k ( c m / s ) . A w is t h e c e m e n t c o n t e n t r e s p e c t to d r y w e i g h t o f soil. W a is t h e w a t e r c o n t e n t o f t r e a t e d soil. P e r m e a b i l i t y of t r e a t e d s o i l is k n o w n t o b e l o w e r e d w i t h i n c r e a s i n g A w a n d d e c r e a s i n g Wa. As natural w a t e r c o n tent of t h e s o i l i n - s i t u is m u c h l o w e r t h a n t h o s e t e s t e d , p e r m e a b i l i t y o f t h e t r e a t e d s o i l a t s i t e is l o w ­ e r t h a n t h o s e i n t h e f i g u r e . T h e r e f o r e , i t is f a r d i f f i c u l t t o c o n s i d e r t h a t t r e a t e d s o i l s a c t as e f f e c t i v e d r a i n a g e . T h e s a m e t e n d e n c y is a l s o

947

Fig.

Fig.

1

Permeability of cement-treated soil

found for l i m e - t r e a t e d J a p a n e s e m a r i n e soils. Consolidation of composite ground A s e r i e s o f c o n s o l i d a t i o n t e s t s is e x e c u t e d o n the model of i m p r o v e d g r o u n d by the c olumns of tr e a t e d soil (composite g r o u n d ) . A p a r t of the t e s t r e s u l t s h a s b e e n s h o w n in the p a p e r by T e r a s h i a n d T a n a k a (198 1 ) . F i g . 4 o f t h e p a p e r c l e a r l y s h o w s the r e d u c t i o n o f s e t t l e m e n t b y the improvement. A l t h o u g h the p e r m e a b i l i t y of the t r e a t e d s o i l is v e r y l o w as s h o w n i n t h e p r e c e d ­ i n g p a r a g r a p h , i t w a s k n o w n t h a t t h e r a t e o f con-_ _solidation was a c c e l e r a t e d w h e n the c o n s olidation pressure, Pc was lower than the p r e c o n s o l i d a t i o n pressure, Po of the composite ground. Fig. 2 s hows the cha n g e of str e s s c o n c e n t r a t i o n ratio, A p / A p w i t h e l a p s e d t i m e a f t e r l o a d i n g . W h e r e Ap is t h e s t r e s s i n c r e m e n t c a r r i e d _ e i t h e r b y t r e a t e d s o i l o r b y u n t r e a t e d s o i l a n d Ap is the a v e r a g e stress i n c r e m e n t app l i e d to the c o m p o s i t e ground. As s h o w n in the f i g u r e w h e r e P c < Po, A p / A p is u n i t y a t t h e i n s t a n t o f l o a d i n g , w h e r e a s a p p l i e d s t r e s s g r a d u a l l y c o n c e n t r a t e s o n the tre a t e d soil w i t h time. T h i s is d u e to the v e r y low c o e f f i c i e n t of volume c o m p r e s s i b i l i t y of the tre a t e d soil. A k e y to the a p p a r e n t a c c e l e r a t i o n o f the c o n s o l i d a t i o n lies in t h e f a c t t h a t the treated soil behaves rather elastic under in­ creasing load and untreated soil consolidate u n d e r d e c r e a s i n g l o a d as l o n g as P c < Po.

2

Stress change wi t h time

W h e n P c > Po, A p / A p is a l w a y s u n i t y r e g a r d l e s s o f e l a p s e d t i m e a n d t h e r e is n o a c c e l e r a t i o n o f c o n ­ solidation. T h e s e p h e n o m e n a c o i n c i d e w i t h the know l e d g e on the c o n s o l i d a t i o n char a c t e r i s t i c s of t h e t r e a t e d s o i l i t s e l f . O k u m u r a a n d T e r a s h i (1975) stated that lime-treated soil showed high coeffi­ c i e n t of c o n s o l i d a t i o n and low c o e f f i c i e n t of volume compressibility when consolidation pres­ s u r e w a s l o w e r t h a n p r e c o n s o l i d a t i o n p r e s s u r e of the t r e a t e d soil. H ow e ve r , w h e n the c o n s o l i d a t i o n pressure exceeded the preconsolidation pressure, c o n s o l i d a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s of tre a t e d soil w e r e a l m o s t s a m e as t h o s e o f u n t r e a t e d s o i l . Concluding remarks P e r m e a b i l i t y o f t r e t e d s o i l is l o w e r t h a n t h a t o f u n t r e a t e d s o i l a n d is l o w e r e d w i t h i n c r e a s i n g l i m e or cement content and with decreasing water c on­ tent. T h e r e f o r e t r e a t e d s o i l is c o n s i d e r e d to be p r a c t i c a l l y i m p e r m e a b l e . A l t h o u g h the p e r m e a b i l i ­ t y o f t r e a t e d s o i l is v e r y low, r a t e o f c o n s o l i ­ d a t i o n u n d e r r e l a t i v e l y s m a l l l o a d is a c c e l e r a t e d . T h i s p h e n o m e n o n is n o t s o s i m p l e a s t o b e j u d g e d by the ana l o g y of san d drain. S o p h i s t i c a t e d analysis must be further studied taking account of the s t ress c o n c e n t r a t i o n and c o n s o l i d a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s of ce m e n t - and l i m e - t r e a t e d soils. References O k u m u r a , T. a n d T e r a s h i , M . (19 75); D e e p - L i m e M i x i n g M e t h o d of S t a b i l i z a t i o n for M a r i n e Clays, Proc. 5th Asian Regional Conf. on SMFE T e r a s h i e t a l . (19 80); P e r m e a b i l i t y o f T r e a t e d Soils, Proc. 15th Ja p a n Conf. on SMFE T e r a s h i , M. a n d T a n a k a , H. (19 81); G r o u n d I m p r o v e d by Deep Mi x i n g Method, Proc. Xth ICSMFE

K* Kujala (Written discussion) THE INFLUENCE OF ETTRINGITES IN THE STRENGTH OF GYPSUMLIME STABILIZED CLAY (Conments on the topic "New Stabilizer Materials") The infl u e n c e of e t t r i n g i t e s in the s t r e n g t h e n ­ i n g o f h u m u s r i c h c l a y s is a l s o r e m a r k a b l e w h e n t h e s t a b i l i z i n g a g e n t is a c o m p o u n d o f l i m e a n d w a s t e g y p s u m , t h e b y p r o d u c t of t h e p r o d u c t i o n o f p h o s p h o r i c acid. H e re the m i x t u r e of g y p s u m and lime (gypsumlime) reacts w i t h the alu m i n i u m o x i d e o f c l a y ( A 1 20 3 ). T h e r e a c t i o n p r o d u c e s e t t r i n g i t e s (3Ca0-Al20 33CaS01(.32H20 ) w h i c h c a n b e r e ­ cognized in the g y p s umlime s t a bilized clay wit h

948

a scanning electron microscope ray diffraction analysis.

(SEM)

o r an X-

T h e r e s u l t s of l a b o r a t o r y and fi e ld t e st (screw p l a t e test) s h o w 2 . . . 3 t i m e s g r e a t e r s t r e n g t h s w i t h g y p s u m l i m e t h a n lime. In a d d i t i o n the s t r e n g t h e n i n g is c o n s i d e r a b l y f a s t e r , h o w e v e r , t h e s t a b i l i z i n g a g e n t c o n t e n t is g r e a t e r w i t h gypsumlime.

F i g u r e 1. S t r e s s - s t r a i n b e h a v i o u r i n g y p s u m ­ lime and lime s t a b i l i z e d clay. F i g u r e 3. S c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o g r a p h s o f g y p s umlime stabilized clay. The failure surface 3a, 3 b b e i n g a c l o s e u p t h e f a i l u r e s u r f a c e . T h e s t r e s s - s t r a i n b e h a v i o u r of the s t a b ilized c l a y s d i f f e r a c c o r d i n g to s t a b i l i z i n g a g e n t so that wit h g y p sumlime the stres s - s t r a i n p r o p o r ­ t i o n is a l m o s t linear up the p eak v a l u e (Figu­ r e 1). H e r e t h e e t t r i n g i t e c r y s t a l s b r e a k a n d t h e s t r e n g t h is s o m e w h a t l e s s e n e d . I n t h e l i n e s t a b i l i z e d c lay no s u dden c hanges oc c u r in the stress-strain proportion. Long, n e e d lelike ettringites, wi t h v a ried d e ­ grees of c r y s t a l l i z a t i o n d o m i n a t e the st r uc t u r e o f t h e g y p s u m l i m e s t a b i l i z e d c l a y (Figure 2a and 2 b ) . Comp a r e d wi t h lime stabilized clay str u c t u r a l d i f f r e n c e s are great (Figure 2 c ) . Whe n ettringites are formed they t hrust strongly b e t w e e n p a r t i c l e s of clay. T h u s a d e n s e n e t w o r k o f e t t r i n g i t e s is f o r m e d i n t h e s t a b i l i z e d c l a y , which efficiently stops interparticular m o v e ­ m e n t s i n t h e c l a y . T h i s is t h e c a u s e , a m o n g others, for the linear s t r e s s - s t r a i n p r o p o r t i o n u p to the p e a k value. B r o k e n e t t r i n g i t e c r y s t a l s and the para l l e l formation of clay p articles can be s e e n in the f a i l u r e s u r f a c e o f g y p s u m l i m e s t a b i l i z e d c l a y ( F i g u r e 3a) . I n t h e i m m e d i a t e neighbourhood of the failure surface the ett­ r ingite c r y stals are w h o l e (Figure 3 b ) .

F i g u r e 2. S c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o g r a p h s o f s t a ­ b i l i z e d c l a y . S t a b i l i z e d w i t h g y p s u m l i m e 2a a n d 2b, s t a b i l i z e d w i t h l i m e 2c.

In l a b o r a t o r y a n d f i e l d t e s t s t h e m i x t u r e o f gypsum and clay proved an effective stabilizing ag e n t b o t h for h u m u s r i c h and h u m u s l e s s co h e s i v e soils. B e f o r e a g e n e r a l a d o p t i o n of g y p s u m l i m e i n d e e p s t a b i l i z a t i o n it m u s t b e c l a r i f i e d w h e t h e r the e t t r i n g i t e c o m p o u n d s a r e p e r m a n e n t in d i f f e r e n t soil and l o a d i n g c o n d i t i o n s .

I.T.A. Stanculescu, Panelist COMPACTAGE DU LOESS EN PROFONDEUR AVEC DES PICOTS Le s y s tè m e , q u i p e u t Ô tr e o o n s id é r é p o o r l a t r a i t e m e n t d u lo e a s , comma an p ro c é d é e m ix t e de t e r r e arm é e e t de c o m p a o ta g e an p r o f o n d e u r , n o u s a é t é s u g é r é p a r l e r é s u l t a t de q u e lq u e s e s s a is c o n c e r n a n t l e c o m p o rte m e n t d e s f o n d a -

t io n s s u r p ie u x c la s s iq u e s , p r é fa b r iq u é s , in t r o d u it s p a r b a tta g e . L a s p i c o t s s o n t c o u lé s d a n s d e s t r o u s c y ­ l i n d r i q u e s r é a l i s é s p a r m a n d r in a g e , en i n t r o ­ d u i s a n t un t u b e m é t a l l i q u e r é o u p é r a b le , p a r

949

vibration ou vibropercussion. Le comportement des picots et leur solici­ tation axiale peuvent être estimés en utilisant le calcul suivant, Fig.la. Ap + As = A Ap/A =>< Aa/A =

q = oC. Qp + p.qs

(1)

Déformation du picot : ^p " <

W

H

(2)

Tassement de l'extrémité inférieure du pi­ cot : ^ a Sp = ----- ------ E_ , avec , S .H. e s !h

. -

----

^

(5)

S.H.

~

Tenant compte de (1) : q8 = (q -

0C-qp )/p

(4)

Déplacement de la tête du picot : q~ s = -2-

w ■ V ■ q~ H + ---- E— L — E__

EP

es

(5 )

:h .

Tassement de la formation compressible de hauteur H, en tenant compte de (4) : q oC q„ s = ----- ----- E H (6) (4 )

P E sLe d é p la c e m e n t (5) é t a n t é g a l a u ta s s e m e n t on o b t i e n t f i n a l e m e n t :

«p —

----------------------------------------

P

+

r

Fig. 1. Compactage par picots

Limon

-& + Jp

Q

CT)

d S .H .

argi l e u x

Distorsion du maillage des picots; tracé des lignes d'égale valeur -kN/m^

950

Le d e g r é da c o m p a c ta g e p o u r o b t e n i r 1 ' i n ­ s e n s i b i l i t é 6 l ' h u m i d i t é d é p e n d de l a d e n s i t é du m a illa g e . L ' e f f e t d u c o m p a o ta g e s e r e s e n t u n ifo r m é m e n t e a r t o u t e l a p r o f o n d e u r d u t e r r a i n tr a it é ( F ig .lb ) . Des e s s a is e n v r a i e g r a n d e u r o n t p e r m is de f i x e r l a d i s t a n c e n é c e s s a ir e p o u r r é d u i r e l e ta s s e m e n t s u p p lé m e n t a ir e p a r h u m i d i f i c a t i o n , è un t a u x a d m i s s i b l e . On a v é r i f i é l a d i s t r i b u -

t i o n d u p o id s s e c du lo e s s o o m p e o té o b te n u en p r o fo o d e u r , p o u r d iv e r s e s d is t o r s io n s du ■ s i l l a g e de s p io e ts ( F ig . 2 ) . L e t e r r a i s hom ogène oomme p o r o s i t é d e v i e n t n o n hom ogène e t p o u r l e s s u r f a c e s de f o n d a t i o n de p e t i t e d im e n s io n , l e s d i s t o r s i o n s d u o u i l l a ­ ge p e u v e n t c o n d u ir e à d e s ta s s e m e n ts d i f f é r e n ­ t i e l l e s e t è des r o t a t io n s in a d m is s ib le s .

A.. Van Wambeke (Oral discussion) After the informative adresses of the session president, Mr. CAMBEFORT, general reporter Mr. M I T C H E L L and co-reporter, Mr. K A T T I , I would like to a d d a f e w p e r s o n a l o b s e r v a t i o n s . Soil i m p r o v e m e n t c o u l d be c o m p a r e d to var i o u s Fo r m s of m e d i c a l therapy, suc h as : - Surgery - Allopathy - Homeopathy In particular, compaction by heavy tamping (dynamic consolidation) and using explosives may be catalogued under homeopathic methods e v e n t h o u g h at f i r s t sight, it a p p e a r s a Ludicrous descri p t i o n for a system of ramming the soil w i t h 20 tonne we i g h t s from a height o f 30 m or u s i n g s e v e r a l k i l o g r a m s of e x p l o s i v e a t a d e p t h o f 2 0 m. H o w e v e r , n o t h i n g i s a d d e d t o t h e s o i l ( as o p p o s e d t o g r o u t i n g ) a n d n o o t h e r m a t e r i a l is s u b s t i t u t e d in p l a c e of the soil (as o p p o s e d to sand columns and piles). The only m o d i f i c a ­ t i o n is a n i m p r o v e m e n t o f t h e i n t e r n a l s t r u c t u ­ ral characteristics in i t self and by itself t h r o u g h p h y s i c a l or p h y s i c o - c h e m i c a l p r o c e s s . F i n a l l y in the case of c l a y e y soils, the m o s t controversial and interesting form of impro­ v e m e n t e x p e c t e d b y L o u i s M e n a r d , it is i n f a c t a b r u t a l m e c h a n i c a l s t r e s s i n g r e q u i r e d to m o d i f y the n atural electrochemical bonds and r e s t r u c t u r e the soil.

propagation considerably. for saturated soils a certain percentage o f t h e i m p a c t e n e r g y is t r a n s m i t t e d b y the liquid phase and acts on the soil structure w ithout abs o r p t i o n w h i c h gr e a t l y improves the efficiency of the method. F i n a l l y t h e r e is o n e p o i n t w h i c h h a s b e e n i n s u f f i c i e n t l y s t r e s s e d to date. T h e c o n d i t i o n of c o n s t a n t s t r e s s to a c e r t a i n d e p t h for e f f i c i e n t c o m p a c t i o n is i n p r a c t i c e n o t the o n l y c r i t e r i o n to be a d h e r e d to. T h e f o r c e s are acting in a material where the natural stresses increase with depth and thus the surcharge pressures p r o d u c e d by the impact must be greater t h a n t h e p r o p o r t i o n a l s t r e s s e s at d e p t h . From this we find that the efficient depth limit f o r t h e c o m p a c t e d s o i l is i n v e r s e l y p r o p o r t i o ­ n a l to the cub e of the d e p t h a n d n o t the square. Th e s e factors intervene in a complex p attern a n d it a p p e a r s t o b e i m p o s s i b l e to g i v e a theoretical f o r m u l a linking the impact energy w i t h the e f f i c i e n t depth. In a s s u m i n g the second degree para b o l a we ma y use. zlim

= k V W x H

k being less than one and decreasing with increasing heterogeneity and clay content or increasing with mois t u r e content. REFERENCES

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- t h e p r e s e n c e o f a i r i n t h e s o i l w h i c h is a function of tha soil type (very high for c o m ­ pressible organic soils and partially saturated fine grained soils but questionable in the case of cl a y e y soils).. - the parabolic curve for pressure absorption w i t h d e p t h is c e r t a i n l y o p t i m i s t i c f o r u n s a t u ­ r a t e d and heter o g e n e o u s soils (refuse depotsj rubble) the presence of n on n e gligible air p o c k e t s or small c a v erns r e d u c e the w a v e

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951

and on an old domestic refuse fill (1978): Treatment and subsequent performance of cohesive fill left by opencast ironstone mining at Snatchill experimental housing site, Corby. Proc Conf on Clay Fills, London, pp 63-72, Instn of Civ Engrs. CHARLES, J A, BURFORD, D and WATTS, K S (1981): Field studies of the effectiveness of "dynamic consolidation". Proc 10th Int Conf Soil Mech & Fndn Engg, Stockholm, vol 3, pp 617-622. MENARD, L (1972): La consolidation dynamique des remblais recents et eols compressibles. Travaux, Nov, pp 56-60. MENARD, L and BROISE, Y (1975): Theoretical and practical aspects of dynamic consolidation. Geotechnique, vol 25, no 1, pp 3-18. SCHLOSSER, F and JURAN, I (1979): Design para­ meters for artificially improved soils. General report. Proc 7th European Conf on Soil Mech 4 Fndn Engg, Brighton, vol 5, PP 197-225.

z = 0.35 \Z“w 7h (Charles et al, 1978) S. Varaksin .(Oral discussion) AMELIORATION DES SOLS PAR COMBINAISON DE LA CONSOLIDATION DYNAMIQUE ET DES DRAINS VERTICAUX Je voudrais illustrer deux commentaires faits par le r a p p o r t e u r g é n é r a l . Je cite : " Il n'y a pas de solution à tous les problèmes et l ' e x p é r i e n c e p r é c è d e t o u j o u r s la t h é o r i e . " La capacité de p r é v i s i o n du c o m p o r t e m e n t des sols traités par les diverses techniques d ' a m é ­ l i o r a t i o n de sols est à la b a s e de l ' e x e m p l e p r a t i q u e cité.

La c o n s t ruction d'un hall d'usine en R é p u ­ blique Fédérale d'Allemagne posait les p r o ­ blèmes de f o n d ation suivants : - des descentes de charges droit des appuis - la fondation d'un dallage charges réparties

E n effet, p e u de t e c h n i q u e s m é c a n i q u e s iso l é e s p e r m e t t e n t de r é s o u d r e u n p r o b l è m e g é o t e c h n i q u e complexe•

952

importantes

au

avec des

importantes,

- les déformations sous l'influence de remblais d'épaisseur variable pour amener la pla t e ­ f o r m e à s a c o t e de f o n d a t i o n .

REITMEHRING

R E A.

ÉTUDES PRESSIOMETSiaUES LOUIS MENÂRD

140 m

♦ X

(valeur

------------ — — 4-9m -----------9-15 m ................. —— 1 5 -20m

Fig.

5

Amélioration

en f o n c t i o n

du t e m p s .

De même manière, on a contrôlé les améli o r a t i o n s p o s s i b l e s p a r i n j e c t i o n de f i s s u r e s d a n s les f l a n c s r o c h e u x d ' u n b a r r a g e e n b é t o n . I c i la d é f i n i t i o n se b a s a i t s u r l e s v a r i a t i o n s d e s nio-

dules

de c h a r g e m e n t E ^ E ^ et d e s m o d u l e s de RI R3 déchargement - Ej^ d a n s l e s d i f f é r e n t e s p l a g e e de c h a r g e m e n t : 1 0 - 2 0 ; 2 0 - 4 0 et 4 0 - 60 tars a v a n t et a p r è s i n j e c t i o n . On a a u s s i c a l c u l é les v a l e u r s i m p o r t a n t e s p o u r l a c o n n a i s s a n c e de La r o c h e : f i s s u r a t i o n , p r e s s i o n d e f l u a g e , f a c t e u r r h é o l o g i q u e . ( fig. 6)

*

“

H rn ..

E«l P ro fo n d e u r

S C H IS T E

m

/ G N E iS S :

Fig*

6

H

Amelioration

U

Ï Ï Ï L

.

du r o c h e r .

A. Partos (Oral discussion) CONTROL OF COMPACTION GROUTING BY NUCLEAR DEPTH DENSITY TESTS Essais de Densité en Profondeur pour Verifier la Densifi­ cation de Sol

obtained before and during' and after completion of compaction grouting.

SYNOPSIS Soil improvement by compaction grout­ ing is monitored by nucleonic depth density and. depth moisture gauges. Dry unit weights, void, ratios and relative densities are computed from field and laboratory data.

Typical void ratios at 3 test locations and project average void ratios are shown in Table 1. Compaction grouting increased an Table 2 - Relative Densities (Dr)

Table 1 - Void Ratios Ce) at Test Locations Depth Below Floor m 2.7 3.5 4.1 4.7

2 eo 1.00 1.04 1.00 .96

Test Location No. 5 ef . .75 .85 .75 .69

eo .92 1.04 .88 1.00

ef .69 .96 .82 .85

eo 1.00 .89 1.00 1.10

Void Ratio (e) Laboratory

10 ef .92 .80 „.8 8 .97

Average eoa 1.00; e £a = 0.82 0-4.7 e0 = initial; ef = after compaction grouting INTRODUCTION

e max 1.27

e min 0.64

= initial;

Field eoa 1.00

efa 0.64

Dr (*J Dri 40

Drf 71

Dr£ = after compaction grouting

Table 3 - Volumetric Stability of Forge Foundation Soils After Grouting Phase Initial Compaction Chemical Solids (%) 50 55 78% Voids (%) 50 45 221 Void Ratio 1.00 0.82

Chemical grouting of loose to very loose sands could provide required stiffness for proposed forging equipment foundations (1) but sand particles could be separated through hydraulic fracturing and the costs of chemical grouting are high. Therefore compaction grouting was also employed to reduce void ratio of loose sand.

average relative density from .40% to 71% (Table 2). The volume of solids and voids was 78% and 22%, respectively, after completion of compaction and chemical grouting (Table 3).

MONITORING

CONCLUSIONS

Nine m long and 47.3 mm I.D. aluminum pipes were installed at 12 locations in an area of 12 by 27 m in size. Troxler model 1351 density and model 1251 moisture gauges and a model 2651 Scaler-Ratemater (2) were used. Each gauge consists of a probe, a fitted cable and a shield and a standard. The dejisity probe contains a 3 millicurie source of Radium226 and measures the total unit weight by backscatter and absorption of nuclear radiation of a spherically shaped volume approximately 13 cm in radius. The moisture probe contains a 3 millicurie source of Radium-Beryllium and detects neutrons which are thermalized by hydrogen. Several hundreds of readings were

Nucleonic depth gauges provide repetitive testing of the subsoil to monitor at the same location an increase of relative density due to successful compaction grouting operations. REFERENCES 1,

Woods, R.D. and Partos, A. (1981) "Control of Soil Improvement by Crosshole Testing". Proceedings X. ICSMFE Vol. 3 pp. 793-796.

2,

Partos, A. and Koerner, R.M. (1975) "Monitoring Consolidation Settlements of Soft Soils Induced by Dewatering" ASTM, STP 584, pp. 111-126.

957

,T. Yamanouchi, Panelist USE OF GEOTEXTILES IN SOIL 'IMPROVEMENT IN JAPAN

In Japan, soil improvement techniques are in most cases necessary to adopt in earthworks of alluvial soft clays, volcanic ash cohesive soils and peaty soils which are distributed there very commonly. Main problems are concerned with (a) the placement of trasported good earth by some thickness on the original soft ground as the first stage of construction, (b) the deep im­ provement of the soft ground itself, and (c) the building of high embankment using such difficult soils. Of these works, the first item work is often called "the primary stage ground improve­ ment" and the secondary one "the secondary stage ground improvement." The first stage ground im­ provement is more important in Japan than in other many countries. The polyvinyl or polyester sheet has for the first time begun to use for the primary ground improvement in the end of 1960s (Fulcuzumi et al., 1970). Following that, a much more resist­ ing material, the polyethylene net (mesh) of high density, has been applying to use in the same means as the above sheet method since the first of 1970s (Yamanouchi, 1970) as shown by Fig. 1 (b). This resinous net was proved to be useful also for the separation of granular material when the material is spread on the soft clay ground (Yamanouchi, 1967). Both materials, the sheet and the resinous net, have then become to use together with a rope net laying on the upper side of the material in order to reinforce against the rupturing failure feasible to arise due to a too large curvature which is inevitable at the front part of a working bulldozer as seen in Fig. 1 (a). Such modified methods are called "the roped-sheet method" and "the roped-net method." A steel net (mesh) has once been tested in an experimental road of low embankment by Japanese Road Public Corporation (JS SMFE, 1969). But, the steel net has never been used since then for a worry about a possible trouble in the future subsurface earthwork. The bamboo net fabricated at the field was for the first time applied at a soft clay ground by a company in 1960s, but the material has not been many used owing to be out of Japanese soil engineers' taste. Such various methods are summarized in relation to the water content of alluvial soft clay in reclaimed onshore land in Fig. 2 (Kobori, 1977). Where, the highest water content is learned to be around 300% that was overcome by means of the roped-net method. When the bulldozer is used in the spread work of earth on the soft clay ground, it is not easy to build in a form of uniform thickness for a remarkable flow move­ ment of the ground clay arisen beneath the work­ ing bulldozer. For solving this problem, a company (Shimizu et al., 1977) has contrived a method of spreading sand using a special pump as shown by Fig. 3. Analytical studies have also been published on the sheet and resinous net methods (Shimizu et al., 1977, Yamanouchi et al., 1979). However, the results of these studies seem to be ambigu­ ous in anyway because the rigorous settlement

958

(a) Usual state at the front part of a bulldozer in sheet method

(b) General v i e w of the performance in resinous net method (after H. Koyama)

Fig.l

Placement of borrowed earth on soft ground using sheet and resinous net

Wat e r con­ 50 tent (%) Direct spread

100

150

200

250

300

j ^ Fuku oka F ukuyama

Sheet method

Sakai^ A - A Handa

H^hirc ^ a t a

o c ^ Imari ihama o -----^ Fukuok a

Roped net method

0-0 c o-

Bamboo net method

— o Koigahi ma V

1 O o s ika Nankc

Kitakydshu I Yo kkaichi ------ o “ O Yokka ichi

Net method

>aka Nani O

o

°“— Chemically solidify­ ing method

q

}

— O : Measured ---- : Range

Fig. 2

c "

-------0 "E 4.

\

i

\

For the B e l fast site the field and laboratory t e s t v a l u e s o f c v (h) w e r e u s e d t o p r e d i c t t h e p e r f o r m a n c e of the t r i a l e m b a n k m e n t w i t h g o o d r e s u l t s as s h o w n i n F i g u r e 4. The back-figured v a l u e s o f c v (h) w e r e a l s o s h o w n t o b e c l o s e t o t h e p r e d i c t e d v a l u e o f c v (h) a s s h o w n i n F i g u r e 3.

S A »ÍDWICH B Ïf P A S S SO U TH ER N EM BA N KM EN T

C h a n g e in c v (h ) w ith i n c r e a s i n g v e r t i c a l e f f e c t i v e s t r e s s c r v*

\

1

C a lc u l a t e d f r o m f ie ld d a t a

I

•

:

I i

•

I

E L F A S T L A GAN JR ID G E

i

1 I

u 2-

uau.. 1 O

^ A l l r e s u lt lie w ith e n v e l o p e

I.

\ D e s ig n v a lu e

\

Fig.

1

4

» • ■ >

eld test - rlsin head .onsolldation le t (vertical) onsolldatton test (horizontal 1] rial embankme nt

r I •I

0 2 () 0 80 1„ > 0 K» VERTICAL EFFECTIVE STRESS 07 k Pa

Sandwich By Pass.

leld test - cona tant head

* I

\

c v ( h ) = 0- 5 9

0

♦

I .

'

against

4 F i g u r e s 1, 2 a n d 3 s h o w t h e c o r r e l a t i o n b e t w e e n f i e l d a n d l a b o r a t o r y m e a s u r e m e n t s o f t h e c v (h) against vertical effective stress obtained from the t h r e e sites, at all of w h i c h v e r t i c a l d r a i n s w e r e used. F o r the S a n d w i c h site the c a l c u l a t i o n s were manually done and a single "average" value of c v (h) w a s a d o p t e d . A l t h o u g h at the t i m e this s e e m e d a r e a s o n a b l e a p p r o a c h it o v e r e s t i m a t e d by a factor of about three the rate of d i s s i p a t i o n in t h e l a t e r (and m o r e c r u c i a l ) s t a g e s o f construction.

k PiKontoltd»tlor 1

1

.

• 3 0 2» VERTICAL EFFECTIVE STRESS kN/m

0

- 1 400

Fig.

3

Belfast Lagan Bridge Approach. against oÿ

Fig.

4

Belfast. Lagan Bridge Approach. he a d ag a i n s t time.

cv (h)

A t Q u e e n b o r o u g h s e e F i g u r e 2, t h e p r o b l e m w a s m o r e f u l l y r e c o g n i s e d , a n d t w o v a l u e s o f c v (h) for manual c a l c u lation wer e chosen. Again these p r o v e d t o b e s o m e w h a t o n t h e o p t i m i s t i c s i d e as t h e r a t e o f d i s s i p a t i o n in t h e l a t t e r s t a g e s of construction was overestimated.

Excess

I t is t h u s c o n c l u d e d t h a t w i t h c a r e f u l t e s t i n g to o b t a i n r e a l i s t i c v a l u e s of Cv o v e r the full range of stress change that wil l be imposed, and by the use of a c o m p u t e r i s e d calculation p r o c e d u r e , i t is p o s s i b l e t o m a k e r e a s o n a b l y a c c u r a t e p r e d i c t i o n s of the rate of d i s s i p a t i o n of excess pore w a t e r pressure. References: Fig.

2

Q u e e n b o r o u g h By Pass.

Please see paper

1/1?

c v (h) a 9 a i n s t a ÿ

O.G. Ingles, Panelist THERMAL STABILIZATION La Stabilisation Thermale I wish to say a few words on the subject of thermal stabilisation. This method has been practised successfully in Romania and in Russia, but never attracted much world attention because of costs. Nowadays, with the high price of fuel, many think it should be forgotten. But on the contrary, we may be on the brink of important new developments in

968

thermal stabilisation. They are already foreshadowed by several papers in this conference. After all, if one can achieve a material as hard as brick from loose soil, using less than 1 .1 / 2% fuel oil as "additive", is it not more attractive, more energy efficient, than 8 to 10 % cement? The problem with thermal methods has been fuel economy.

But this problem is easily solved by the fuel engineer today. Moreover, it is possible to achieve the thermal stabilisation of clays at very low temperatures (around 550OC, less than red heat). At these temperatures not only is clay swelling destroyed, but the clay surface is activated. Three papers in this conference (Queiroz de Carvalho, Brandi, and Matsuo & Kamon) have all shown how silica, alumina and ferric oxide .... the commonest components of all soils .... when activated by various means, lead to good soil stabilisation. Prof. Brandi's paper is especially excellent (in my opinion one of the finest papers in the Session) and I commend it for reading. What I wish to emphasise here however, is that the necessary activated state can also be produced by low heat. Recently, myself and a coworker, Lim, succeeded in converting such diverse clays as bentonite and kaolin, as well as ordinary soils, into water-resistant durable materials of high strength (exceeding 1 x 104 kPa dry and 8 x 103 kPa soaked) after room temperature curing

for 7 days. I have called this process "accelerated latérisation", for although a stabilisation, it closely resembles that phenomenon in its effects and operation. The quality of the product is readily conveyed by stri­ king two cylinders of the treated soil together - the good ring of a strong material is heard, from what was once loose loam. Although I do not agree with the structural interpreta­ tions of Matsuo & Kamon (and which are also at variance with the observations of Swartz, Yates & Tromp in this Session), electron microscope photographs of the new "accelerated latérisation" products have many similari­ ties to those shown by Matsuo & Kamon. The strengthe­ ning products have an essential needle-like habit. Electron probe analysis of these products, however, has led to quite different conclusions from those of Matsuo & Kamon, and in more substantial agreement with the conclusions of Queiroz de Carvalho and of Brandi. A detailed account is to be presented to the International Conference of Soil Mechanics, Mexico City, 1982.

H. Cambefort, Chairman AMELIORATION THEMIQUE La consolidation thermique n'a fait l'objet que d'une communication: celle de notre secrétaire de Dr. Knutsson qui a étudié la résistance du cisaillement des sols gelés.

J'ai essayé de le copier pour arrêter un glissement de talus, mais sans succès car les sols étaient saturés. Nous étions sortis du domaine d'utilisation du pro­ cédé.

Il s'agit là d'une recherche très intéressant. Mais il y en a une autre qui l'est tout autant, c'est le compor­ tement du sol au moment du dégel. A ce moment là, en ef­ fet, certaines argiles comme celle de Mexico par example se liquéfient. Il en est de même du yaourt. Quant à la gelée de groseilles on n'arrive pas à la congeler à moins 20° C, probablement à cause de S'a forte teneur en sucre. Il semble que cette liquéfaction soit le propre de certaines structures des gelées colloïdales. On le constate avec les cerises qui suivant leur espèce se liquéfient ou non, comme les argiles. Avant de consoli­ der le sol par congélation, il faut donc s'assurer que le dégel ne peut pas être catastrophique.

Puisque j'en suis aux effets de la température, je rap­ pelle qu'une augmentation de celle-ci augmente la vi­ tesse du fluage, probablement par suite de son action sur la double-couche. Peut être y-a-t-il là une expli­ cation aux tassements des petites compactages de Lin­ köping.

La cuisson des sols a été bien moins utilisée que la congélation. Je ne connais que les exemples donnés, il y a un peu plus de vingt ans, par le Prof. Stanculescu.

Par contre les déplacements des murs de soutènement consécutifs aux variations de température ne seraient sans doute dûs qu'à la dilatation des sols. Il semble en être de même pour les oscillations de pieux traver­ sant des sols mous saturés. Mais quand les fondations profondes traversent des limons non saturés, leurs os­ cillations sont peut être dues aussi à la thermo-osmose, phénomène qui a eu sa période de succès autre­ fois et dont l'étude est passée de mode aujourd'hui.

H.L. Jessberger and W. Ebel (Written discussion) SIMPLIFIED TEST CONDITIONS FOR DESCRIPTION OF THE STRESSSTRAIN BEHAVIOUR OF FROZEN SOILS F o r t h e i n v e s t i g a t i o n of t h e s o i l b e h a v i o u r m o r e and m o r e h ighly s o p h i s t i c a t e d m e t h o d s are u s e d by t h e s c i e n t i s t s . As o u r l a s t P r e s i d e n t P r o f . F u k u o k a m e n t i o n e d in his p r e s i d e n t i a l a d d r e s s w e s h o u l d not f o r g e t to p e r f o r m r e l a t i ­ vely easy tests wh i ch give soil p a r a me t er s for t h e d e s c r i p t i o n of t h e s o i l b e h a v i o u r . B a s e d on t h e s e p a r a m e t e r s a f i r s t c a l c u l a t i o n of a s t r u c ­ t u r e c a n be m a d e a n d t h e p a r a m e t e r s c a n be u s e d f o r f i x i n g t h e t e s t c o n d i t i o n s of h i g h l y s o ­ phist i c a t e d test methods. The p r esented test m e t h o d s a r e r e l a t e d to t h e s o i l i m p r o v e m e n t by g r o u n d f r e e z i n g . T h e b a s i c i d e a of t h i s p r o p o ­ s a l is to p e r f o r m s o - c a l l e d " R e f e r e n c e T e s t s ” w h i c h e n a b l e s us to i d e n t i f y t h e f r o z e n s o i l d u e to t h e s t r e s s - s t r a i n b e h a v i o u r f o r c o m p a r i s o n w i t h o t h e r f r o z e n s o i l s . It s h o u l d be e m p a s i z e d t h a t t h e p r o p o s e d t e s t m e t h o d is n o t a s t a n d a r ­ d i z a t i o n a n d t h a t it is n e c e s s a r y to p e r f o r m the

Reference Tests lated tests.

in a d d i t i o n

to o t h e r p r o j e c t

re­

T w o t y p e s of t e s t s w e r e s e l e c t e d : T h e u n c o n f i n e d c o m p r e s s i o n t e s t a n d t h e u n c o n f i n e d c r e e p test. The c r e e p t e s t s are i n t r o d u c e d b e c a u s e the creep b e h a v i o u r of f r o z e n s o i l s can be i m p o r t a n t d e ­ p e n d i n g on t h e m a g n i t u d e a n d d u r a t i o n of loading. T h e R e f e r e n c e T e s t w i l l be p e r f o r m e d on cylindrical soil samples. The sl e n d e r n e s s ratio s h o u l d be h/d = 2/1 w i t h a m i n i m u m d i a m e t e r of 5 cm. T h e t e s t s s h o u l d be p e r f o r m e d at a c o n ­ s t a n t t e m p e r a t u r e T =-10° +_ 0,5°C. F r o m T a b l e 1 c a n be s e e n t h a t t w o c o m p r e s s i o n tests are s e lected with diffe r e n t strain rates. D u e to t h e s t r a i n r a t e s t h e d u r a t i o n of t h e f a s t c o m p r e s s i o n t e s t w i l l be 15 m i n u t e s w h e r e a s

969

t h e d u r a t i o n of t h e s l o w c o m p r e s s i o n t e s t w i l l be 1 2 . 5 h o u r s .

TABLE 1 COMPRESSIVE STRENGTH TESTS O a :è=0,02

„

O b : è = 1 j00

f/o/m,nl

. ,

.sandy a n d s i l t y m a t e r i a l . T h e h i g h l y l o a d e d c r e e p t e s t s h o u l d definitive^/ 1 ead to t h e t r a n ­ s i t i o n b e t w e e n s e c o n d a r y and t e r t i a r y c r e e p b e ­ haviour. The low loaded creep test will show t h e s t e a d y - s t a t e c r e e p b e h a v i o u r of t h e s e c o n d ph a s e w i t h i n 3 days, w h i c h m e a n s that the c r e e p strain rate remains constant.

FIG.1 son

[N/mm2]

SA N D

6.0

12,0

SILT

2,5

5.0

In a d d i t i o n t w o c r e e p t e s t s a r e s e l e c t e d w i t h d i f f e r e n t l o ads, r e l a t e d to t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t h of t h e f a s t c o m p r e s s i o n t e s t (Tab. 2). T h e d u r a t i o n of t h e c r e e p t e s t s s h o u l d be at least one day f o r the h i g h l y loaded test and t h r e e d a y s f o r t h e l o w l o a d e d t e s t if s t a t e of f a i l u r e w i l l n o t be r e a c h e d e a r l i e r . T h e d a t a in T a b l e 1 a n d 2 a r e v a l i d f o r t h e t w o s o i l s of Fig. 1.

TABLE 2

CREEP TESTS

0/O Q SOIL

[hi

0 ,7 0 b ! [N/mm2]|

¿.8

(10 0 )

8 ,4

[

3

SIL T

*0

(10 0 )

3.5

1

3

1 shows

3

possible

results

SILT

From the c o m p r e s s i o n tests s i g n i f i c a n t soil d a ­ t a s as c o m p r e s s i v e s t r e n g t h a n d s e c a n t m o d u l u s c a n be o b t a i n e d w h e r e a s t h e c r e e p t e s t s g i v e s t r a i n at f a i l u r e a n d t h e c o r r e s p o n d i n g t i m e at f a i l u r e .

/1/

1

creep test

SAND

More detailed information concerning sample pre­ p aration, test cond i ti o ns , data an a l y s e s t o ­ g e t h e r w i t h t h e e v a l u a t i o n of n u m b e r of " R e f e ­ r e n c e s T e s t s " is a l r e a d y p u b l i s h e d /1/.

[h]

SA N D

TIME ID]

Fig.

tf

|N/mm2]

CREEP BEHAVIOUR

Oc 1 Ob

for

J e s s b e r g e r , J . L . , E bel, W. (198 0 ) : Proposed methods for Reference Tests on F r o z e n S o i l , P r o c e e d i n g s S e c o n d I n ­ t e r n a t i o n a l S y m p o s i u m on G r o u n d F r e e ­ zing, Trondhe i m, E l s e v i e r S c i e n t i f i c Publishing Company, Amsterdam

H. Cambefort, Chairman CLOSURE 0F SESSION AFTER ORAL DISCUSSION ■ Voici venu le moment de conclure cette longue séance. Cela est difficile car l'amélioration des sols, fait partie de 1 'Art de construire et non des calculs. J'ai éprouvé les mêmes ennuis à la séance équivalente du Congrès de Moscou. Aussi il n'est pas étonnant que la conclusion de celle-ci puisse convenir aujourd'hui, en y changeant simplement le nom d'un orateur. Comme elle est ancienne j'en rappelle les points essentiels: 1 - Il faut souvent avoir d'autres connaissances que celles propres à la Mécanique des sols pour trouver un procédé d'amélioration valable, 2 - Les raisonnements a priori basés sur nos connais­ sances actuelles des sols sont quelquefois faux, 3 - Les procédés d'amélioration sont nombreux mais ils ne sont pas forcément interchangeables. Par ailleurs un même procédé peut être satisfaisant dans un certain sol et pas dans un autre pourtant semblable à première vue. Enfin, 4 - Le "savoir faire" des hommes de chantier est pres­ que toujours plus important que la théorie. Ce dernier point est très important, car il interdit les spécifications détaillées qui ne peuvent pas prévoir tous les cas possible d'hétérogénéité des sols, à la­ quelle il faut s'adapter au fur et à mesure de l'avance­

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ment des travaux. Quant aux autres points j'ai essayé d'en tenir compte dans l'introduction en mettant l'accent sur la struc­ ture des sols. Il semble en effet évident que le com­ portement d'un sol est conditionné par celui de son squelette et non par l'évolution des pressions inter­ stitielles qui ne peut introduire qu'un terme correc­ tif. Mais comme il est difficile de préciser la struc­ ture d'un sol intact, on accepte facilement des simpli­ fications qui malheureusement ne correspondent pas souvent à la réalité. Quand on suppose, par exemple qu'une argile ne diffère d'un sable que par la dimen­ sion de ses grains, plus ou moins bien collés entre eux, on oublie comme l'a rappelé le Prof. Katti, l'environnement électrique qui correspond à ce que j'ai appelé la gelée colloïdale, et qui à lui seul peut conditionner le comportement de la structure. Pour mieux saisir celle-ci, et ce sera mon dernier mot, il faut faire de la physique. En levant cette séance, je remercie encore tous les orateurs et plus particulièrement nos Rapporteurs qui n'ont pas ménagé leur peine pour établir des rapports qui n'on pas leur équivalent dans les annales de ces Congrès.

H. Cambefort, Chairman (Written discussion) COULIS CHAUX - CENDRES VOLANTES Tous les résultats qui viennent d'être exposés sont très intéressants et me conduisent à quelques petites remarques: 1 - Tout d'abord de la mise en évidence du cheminement du calcium est remarquable, et fait penser au chemine­ ment des ions que les géologues invoquent souvent. Sa progression avec le temps confirme que la bentonite n'est pas imprégnable avec un coulis, et que les claqua­ ges ou encore les fracturations hydrauliques provoqués par une injection peuvent avoir un effet bénéfique in­ soupçonné. 2 - Les diagrammes aux rayons X montrent bien que la bentonite s'est transformée, mais les modifications des pics ne proviennent probablement pas d'une simple accumulation d'ions dans la double couche. Il s'est passé autre chose et cet autre chose peut être dû à d'autres ions que ceux du calcium, car les cendres volantes qui sont des pouzzolanes doivent avoir une composition chimique très complexe. La nature de la bentonite peut aussi intervenir. 3 - L'exemple cité porte à croire que pour stabiliser un remblai de voie ferrée il est nécessaire d'utili-

ser un coulis d'injection constitué par de la chaux et des cendres volantes. Je peux assurer qu'il n'en est rien car j'ai stabilisé de nombreuses centaines de métrés de voies en utilisant comme coulis des mélan­ ges de ciment Portland et de bentonite. Cela n'a rien d'étonnant car le Portland contenant beaucoup de chaux et les cendres volantes étant pouzzolaniques, les deux coulis sont analogues. Ce sont les condi­ tions économiques qui fixent le choix des constitu­ ants. Il faut toutefois se rappeler que la granulométrie des cendres dépend de la nature du charbon qui a été brûlé. Il est donc nécessaire de faire quelques essais préliminaires pour formuler corrrectement le coulis contenant des cendres. 4 - Enfin avec ce même coulis ciment-bentonite j'ai stabilisé un glissement de talus dont l'argile très gonflante formait un marécage pendant la saison des pluies alors qu'elle était sillonnée de fissures dont l'ouverture atteignait 2 à 3 m à la fin de la saison sèche. C'est à ce moment qu'on a rempli les fis­ sures avec le coulis, afin d'interdire la pénétration des eaux de pluie. Peut être la chaux du ciment a-telle eu un effet bénéfique. Toutefois ces coulis non protégés à la surface du sol se sont fissurés par dessication et il a été nécessaire de procéder à une petite injection d'entretien cinq ans plus tard. Mais une telle dessication n'est pas possible sous une voie ferrée.

D.A. Greenwood (Written discussion) JET GROUTING - CONTROL OF UNIFORMITY OF TREATED SOIL Jet grouting was used in 1962 for temporary works on the Concorde aircraft engine facility and at a sewage pumping station in Cornwall, U.K., and as reported by Nicholson (1 963 ) for a water cut-off at Niazbeg Power Station in Pakistan amongst other applications. Problems were encountered which dissuaded engineers from using the process more widely at that time: 1. 2. 3.

Control of average cement content. Control of uniformity of cement in situ. Control of uniformity of column diameter.

Difficulties arose because having drilled the pilot hole to full depth the volume of fluid needed to jet away the soil exceeded the volume of the bore and overflow at surface was inevitable. This carried away cement included in the jet stream. The overflow material was collected and returned to the hole with addition of more cement appropriate to the enlarging hole. With bulking of the eroded soil not all of the added cement and spoil was returned to the hole on completion. The process was critically dependent on rate of erosion in relation to rate of lifting and rate of cement addition. In ground of variable erodibility these difficulties were greatly increased. The result was somewhat unpredictable and variable strength. Sometimes weaknesses occurred across a specific

horizon or stratum where less favourable ground was encountered leaving a weak band in a column. Similarly where wide variation of erodibility occurred, e.g. sands enclosing strata of cohesive clay, the column diameter tended to vary significantly. This could be overcome by spending more time in the resistant bands but at cost of aggravating imbalance of the rate of cement addition to rate of lift making control difficult. Very precise knowledge of soil profile detail was needed for this and was not usually available with sufficient accuracy. The current proponents of jet grouting extol its virtues. The incorporation of air jetting will have improved erosion but they would render a service by publishing much more quantitative data on the reliability of properties of treated soil as a structural material. With the better understanding of geotechnics since the first use of jet grouting in U.K. twenty years ago engineers, correctly, have become more willing to employ comparatively weak stabilised soil as a temporary structural medium. In earlier days anthing less than concrete was not readily accepted. Nicholson, A.J. (1 963 ). Symposium on "Grouts and Drilling Muds in Engineering Practice", I.C.E. London, pp 108-109 Discussion.

R. Pusch (Written discussion) "A LEADING PAPER FOR PANEL DISCUSSION ON IMPROVEMENT OF COHESIVE SOILS" (Contribution by R.K. Katti) It is nice to see that material science in terms of clay minerology and physical chemistry are referred to as basic sciences of the presently discussed soil mechanics application. In dealing with saturated clay the author

brings up the almost classical point of the surface charge and importance of electrical double layers, and refers to en expression of the swelling pressure which is unfortunately not understandable and also not correct.

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The reason for the the author himself sorbed water which, mines the swelling

last statement is indirectly given by by pointing out the importance of ad­ at least at higher densities, deter­ pressure. In fact, the hydrogen bond­

ing of water molecules are the main origin of the "ex­ pansive forces". So, iin principle, the author is right in bringing in basic science for the understanding of the behaviour of soils. But it should be in a proper way.

R. Vufetic and M. DjordjeviS (Written discussion) STRAIGHTENING A LEANING TALL APARTMENT HOUSE IN SMEDEREVO BY APPLYING THE METHOD OF WEAKENING THE SOIL Redressement d'un Haut Immeuble de Résidence Penché en Smederevo par la Méthode d'Affaiblissement du Terrain INTRODUCTION Attempts to straighten tall buildings, chimneys towers, etc. have so far been based on two main principles: to improve the soil under the part of the building where consolidation is greater or to transmit the load of that part of the building to greater depths, to less compres­ sible media. In the first case it was done by injecting cement, by chemical and physical action, etc. and in the second case by pile driving. All these methods have their good and bad aspects, but they either could not be used in all cases or they were not successful enough. The Institute for Soil Engineering of the "Kosovoprojekt" enterprise from Belgrade has carried out a daring pro­ ject of straightening a tall apartment building in Smederevo by applying the method of weakening the soil under that part of the foundation of the building which had previously been less deformed in order to provoke in the weakened zone greater deformation and to bring about the straightening of the leaning building.

material was extracted. The project was carried out in November 1978 and lasted 10 days. Since then a constant geodetic survey of the benchmarks on the building is being carried out, and it shows that the building has been consolidating evenly, and that the weakening of the soil under the foundation has successfully solved the problem of stopping the leaning and of returning this high building to the desired slope.

APPLICATION The building in Smederevo is 38.5 m tall with shallow foundation on the depth of 2.5 m and 3.5 m on a basement slab 21.2 x 22 m. The load of foundation on the soil is 190 kPa. The building is located between the river Danube and the Redut hill. The soil consists of clay (CL/CI) to the depth of 5.5 m, under which are muddy sands and mud to the depth over 20 m (the depth of the investigation of the soil). Before the beginning of the work on straighte­ ning, the building was leaning towards the Danube about 35 cm. While the consolidation of the building on the side towards the hill was rapid, the side towards the Danube was consolidating constantly in a moderate but unabated rhythm in the course of two years. The measures undertaken to straighten the building were the following. Along the side of the building (towards the hill) 11 slanting boreholes were bored. In that way the boreholes reached a stratum of muddy sand. Air under pressure was pumped through the boreholes and in that way material from the boreholes was taken out (air-lifting). The quan­ tity of the extracted material was controlled in special containers. At the same time a geodetic recording of a net of built-in benchmarks on the building was being car­ ried out, in order to follow its reaction. 5.4 m3 of dry

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C LAY

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