Vacuum and surcharge combined one-dimensional consolidation of clay soils

摘要

In this study, a vacuum and surcharge combined one-dimensional consolidation model is developed. Terzaghi's consolidation theory is revisited by applying the initial and boundary conditions corresponding to combined vacuum and surcharge loading on a soil. A test apparatus is designed, manufactured, and assembled to verify the model. The apparatus has the capacity of applying designated vacuum and surcharge pressures to a soil specimen, and it allows for the measurement of the excess pore-water pressure, settlement, and volume change during the consolidation process. Two series of tests are performed using the apparatus on two reconstituted natural clay soils, namely, the Welland sediment at water contents close to its liquid limit and the Orleans clay, reconstituted and consolidated under an effective stress of 60 kPa. The former test series mimics the strengthening of a very soft soil, such as the hydraulic fill used in land reclamation. The latter test series is designed to study vacuum–surcharge combined strengthening of a consolidated soil. It is demonstrated from the experiments that the one-dimensional vacuum-surcharge consolidation model describes the consolidation behaviour of both soils well. The consolidation characteristics of the soils show no discrimination against the nature of the consolidation pressure, namely, whether they are consolidated under the vacuum pressure alone, under the surcharge pressure alone, or under a pressure generated by the combined application of vacuum and surcharge. The study concluded that the soil consolidation characteristics obtained from the conventional consolidation tests can be used in the design of vacuum preloading systems, provided that the one-dimensional loading condition prevails.Key words: consolidation, soil improvement, vacuum pressure, surcharge pressure, excess pore-water pressure, soil consolidation parameters.Dans cette étude, on développe un modèle de consolidation unidimensionnelle par l'application combinée du vide et d'une surcharge. La théorie de consolidation de Terzaghi est révisée en appliquant les conditions aux frontières et initiales correspondant à une combinaison de chargement par vide et par surcharge. Un appareil d'essai est conçu, fabriqué et assemblé pour vérifier le modèle. L'appareil peut appliquer à un spécimen de sol des pressions de vide et de surcharge choisies, et permet la mesure de l'excédent de pression interstitielle, du tassement et du changement de volume durant le processus de consolidation. Deux séries d'essais ont été réalisés au moyen de l'appareil sur deux sols argileux naturels reconstitués, nommément le sédiment de Welland à des teneurs en eau près de la limite de liquidité, et l'argile d'Orléans, reconstitués et consolidés sous une pression effective de 60 kPa. La première série d"essais simule le renforcement d'un sol très mou tel qu'un remblai hydraulique utilisé dans la réhabilitation des terrains. La deuxième série d'essais est conçue pour étudier le renforcement d'un sol consolidé par la combinaison du vide et de la surcharge. En partant de ces expériences, on démontre que le modèle de consolidation unidimensionnelle par vide-surcharge décrit bien le comportement de consolidation des sols. Les caractéristiques de consolidation des sols ne montrent aucune distinction en fonction de la nature de la pression de consolidation, nommément, qu'elle soit générée par le vide seulement, par une surcharge, ou par une combinaison de vide et de surcharge. L'étude à conclu que les caractéristiques de consolidation obtenues par des essais conventionnels de consolidation peuvent être utilisées dans la conception de systèmes de préchargement sous vide, pourvu que la condition unidimensionnelle de chargement prévale.Mots clés : amélioration du sol, pression de vide, pression de surcharge, excédent de pression interstitielle, paramètres de consolidation du sol.[Traduit par la Rédaction]