Development and validation of the pore pressure oedometer device

Immediate increase of mean stress in a saturated soil sample leads to a corresponding increase in the pore water pressure inside the sample. This excess pore water pressure generates an hydraulic gradient inside the soil leading to flow of water and slow dissipation of the excess pore pressure, linked to sample volume change. This process is called consolidation and is usually described according to Terzaghi’s 1D consolidation theory. The tests included in this study were performed in the Soil Mechanics and Foundation Engineering Laboratory at Aalto University. During this work the experiments were performed in a new, modified oedometer: the pore pressure oedometer device. This instrument allows measuring the pore water pressure inside the sample during the whole test. The research studies two clays: a clay coming from a deposit located near the city of Lahti, in the Central Finland and a soft clay retrieved near Aalto University, in the Otaniemi coastal area. Dissipation of the excess pore pressure have been monitored in samples of different height, for both materials. This work includes the results of 26 oedometer tests. Another objective of this project was to use the recorded values of the pore water pressure to estimate the continuous value of the coefficient of hydraulic conductivity of the soil samples directly. The results obtained with this procedure, based on the developed analytical solution of the 1D consolidation equation, were then compared with the ones obtained from the standard analysis of oedometer results and with the values obtained from falling head permeameter tests. The results show that the behaviour of the pore pressure is slightly different from the theoretical predictions: the pore pressure rising is not instantaneous and not all the load applied always is transferred entirely to the pore water. The results of the permeability based on analytical solution fit better the behaviour of the Lahti clay. Quite possibly the soft Otaniemi clay, very sensitive to disturbances, may be just a more demanding material to test.

Quando un terreno saturo è sottoposto a un aumento della tensione totale, per esempio in seguito all’applicazione di un carico, si crea in condizioni non drenate una sovrappressione nell’acqua interstiziale. Il successivo processo di dissipazione della pressione in eccesso, accoppiato alla deformazione del materiale, è indicato come consolidazione. Le prove sperimentali su cui si basa questo studio sono state svolte nel Laboratorio di Soil Mechanics and Foundation Engineering della Aalto University di Helsinki. Gran parte delle prove è stata svolta con un nuovo dispositivo: il “pore pressure oedometer”. Questo strumento è una variante dell’edometro standard, che consente di misurare la pressione dei pori durante lo svolgimento della prova edometrica. Uno degli obiettivi di questo lavoro è osservare quello che accade all’interno dei provini durante una prova edometrica, confrontando i dati sperimentali con le previsioni della teoria di Terzaghi. In questa ricerca sono stati analizzati due diversi materiali: un’argilla sovraconsolidata (Lahti Clay) e una normalconsolidata (Otaniemi Clay). Per entrambi i materiali le prove sono state eseguite su provini di diverso spessore. L’altro obiettivo di questa ricerca è stato quello di utilizzare i valori della pressione interstiziale per ricavare, attraverso la soluzione analitica dell’equazione della consolidazione monodimensionale, il coefficiente di conducibilità idraulica del materiale. I valori ottenuti con questo nuovo metodo sono stati poi confrontati sia con quelli ricavati analizzando i cedimenti attraverso i metodi classici di Taylor e Casagrande, sia dalle misure ottenute da prove con il permeametro a carico variabile. I risultati ottenuti mostrano come il l’evoluzione misurata della pressione interstiziale non sia esattamente quello previsto dalla teoria: l’incremento di pressione in eccesso non è istantaneo e non sempre tutto il carico esterno è trasferito all’acqua. Per quanto riguarda i valori della permeabilità forniti la soluzione analitica, questi si allineano bene con quelli ottenuti con i metodi standard per l’argilla di Lahti, mentre nel caso dell’argilla di Otaniemi i risultati non sono così chiari, sintomo della significativa sensitività di questo materiale.