Effects of hydraulic repeated loads on the hydromechanical response of an unsaturated silty soil

Soils used in earth constructions are mostly unsaturated, and they undergo frequent wetting-drying cycles due to changes in the climatic conditions, particularly at shallow depths. Repeated hydraulic loads are also induced in levees and dykes by changes in the water height, which affect the extent of the unsaturated zone. Changes in water content significantly influence the hydromechanical behaviour of the construction material, which therefore has to be assessed for repeated hydraulic loads. This research work investigated the coupled hydromechanical behaviour of a silt, typically used in the construction of dykes, with the aim of providing a better understanding of the consequences of wetting-drying cycles in the field on the overall response of the material. The soil was studied in the laboratory by means of a comprehensive series of complementary experimental tests. The first series involved wetting-drying and loading-unloading stress paths applied in suction-controlled oedometer. Irreversible changes in the degree of saturation implied that hysteresis of water retention is induced by changes in the suction and volume of soil samples. A rate form of the water retention curve (WRC) model was proposed to simulate the hysteresis, in which the contact angle was used to express the dependence of the response on non-monotonic changes in suction and void ratio. A constitutive hypo-plastic model was then proposed and coupled with the contact angle-WRC model to account for the coupling between the hydraulic and the mechanical behaviours. The model was then employed to simulate the experimental hydromechanical response observed in laboratory tests. The second series of experimental tests was performed to study the impact of wetting-drying cycles on microstructural features and hydraulic properties of as-compacted samples. When as-compacted samples were subjected to wetting-drying cycles, fabric changes took place due to interactions between different structural levels even though no significant total volumetric strain occurred. Accordingly, the water retention behaviour detected for such samples was different from the as-compacted one. The new WRC model was proposed accounting for different structure levels and an evolving pore size distribution of the tested materials. Eventually, the effects of repeated hydraulic loads on the mechanical behaviour of the silt were studied using constant water content triaxial tests. The hydraulic repeated loads changed the soil fabric by forming larger pores, resulting in fundamental changes in their hydromechanical response. The hydraulic repeated loads increased the compressibility of the soil at low-stress levels. Since such soil samples experienced more contractions and expelled more water under compression, they became stiffer and exhibited higher strength, associated with dilative behaviour during shear loading.

I terreni utilizzati nelle costruzioni di terra sono per lo più insaturi, e subiscono frequenti cicli di bagnatura-asciugatura a causa di cambiamenti delle condizioni climatiche, soprattutto a basse profondità. carichi idraulici ripetute sono indotti anche in argini e sbarramenti dalle variazioni dell'altezza dell'acqua, che influenzano l'estensione della zona insatura. I cambiamenti nel contenuto di acqua influenzare in modo significativo il comportamento meccanico idro del materiale di costruzione, che deve quindi essere valutata per i carichi idraulici ripetuti. Questo lavoro di ricerca ha studiato il comportamento accoppiato idro meccanico di un limo, tipicamente utilizzato nella costruzione di dighe con l'obiettivo di fornire una migliore comprensione delle conseguenze di cicli bagnatura essiccazione nel campo sulla risposta complessiva del materiale. Il terreno è stato studiato in laboratorio mediante una serie di test sperimentali complementari. La prima serie coinvolto percorsi bagnatura-essiccazione e di carico-scarico di stress applicate edometro aspirazione controllata. cambiamenti irreversibili nel grado di saturazione implicavano che isteresi di ritenzione di acqua è indotta da cambiamenti aspirazione e volume di campioni di terreno. Una forma prezzo del modello di curva di ritenzione idrica (WRC) è stato proposto per simulare l'isteresi, in cui l'angolo di contatto è stato utilizzato per esprimere la dipendenza della risposta ai cambiamenti non monotone in aspirazione e indice dei vuoti. Un modello ipo-plastico costitutivo è stato quindi proposto e accoppiato con il modello angolo di contatto-WRC per spiegare l'accoppiamento tra idraulica e comportamenti meccanici. Il modello è stato poi utilizzato per simulare la risposta idromeccanico sperimentale osservato nei test di laboratorio. La seconda serie di prove sperimentali è stata effettuata per studiare l'impatto dei cicli di bagnatura-asciugatura sulle caratteristiche microstrutturali e le proprietà idrauliche di campioni come-compattati. Quando as-compattati campioni sono stati sottoposti a cicli di bagnatura-asciugatura, i cambiamenti di tessuto ha avuto luogo a causa di interazioni tra i diversi livelli strutturali anche se si è verificato nessun significativo deformazione volumetrica totale. Di conseguenza, il comportamento ritenzione idrica rilevato per questi campioni era diverso da quello as-compattato. Il nuovo modello di WRC è stato proposto che rappresentano diversi livelli di struttura e una distribuzione in continua evoluzione delle dimensioni dei pori dei materiali testati. Infine, gli effetti dei carichi idraulici utilizzate sul comportamento meccanico del fango sono stati studiati utilizzando prove triassiali contenuto di acqua costante. I carichi ripetuti idraulici cambiato il tessuto terreno formando pori più grandi, con conseguente cambiamenti fondamentali nella loro risposta idromeccanica. I carichi ripetuti idraulici aumentato la comprimibilità del suolo a bassi livelli di stress. Dal momento che tali campioni di terreno hanno sperimentato più contrazioni e più acqua espulsa sotto compressione, sono diventati più rigido ed esposte maggiore resistenza, associata a un comportamento dilatativa durante il caricamento di taglio.