Permeability of sand-clay mixtures

• Autorzy: Kacprzak G. , Boutin C. , Doanh T.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This study deals with the behavior of composite blends constituted of rigid and impervious grains included in saturated clay paste of kaolin, considered as permeable and deformable. Permeability tests performed during standard oedometr tests (before each load step) highlight the key role of the original and actual state of the clay paste, and show the existence of a threshold of sand grain concentration above which a structuring effect influences its permeability. In the light of these experiments some usual homogenization methods (with simplifying assumptions to make the problem manageable) are considered in order to model the mixture permeability. Qualitative and quantitative comparisons with experimental data point out their respective domain of interest and limitations of such approaches.

PL

W inżynierii lądowej/geoinżynierii bardzo często spotykamy się z materiałami gruntowymi zbudowanymi z frakcji piaskowej i ilastej. Materiały te stanowią naturalne podłoże gruntowe dla posadawianych na nim budynków lub jako mieszanki rekonstytuowane używane są do budowy nasypów drogowych, tam, zapór jak również barier uszczelniających. Doświadczenie pokazuje, że cechy tych materiałów zależą od właściwości komponentów, szczególnie od mineralogii iłu, od wzajemnych proporcji składników, od stopnia zagęszczenia, jak również od wilgotności mieszanki. Mimo, że do projektowania konstrukcji geotechnicznych stosuje się proste i powszechnie znane zasady (równania empiryczne) bazujące na właściwościach składników, wielokrotnie stawia się pytanie czy jest to podejście właściwe. W związku z tym autorzy podjęli próbę lepszego zrozumienia właściwości mieszanek piasek-ił w skali makro poprzez powiązanie ich ze zjawiskami fizycznymi jakie mają miejsce w materiale w skali mikro. Takie podejście "skalowania" jest typowe dla homogenizacji. Prezentowane badania dotyczą filtracji kompozytów/mieszanek zbudowanych ze sztywnych i szczelnych ziaren piasku zanurzonych w nasyconej wodą paście kaolinitu, rozważanej jako materiał podlegający filtracji i deformacji. Badania wodoprzepuszczalności wykonane w czasie typowych badań edometrycznych uwidaczniają ważną rolę początkowego i aktualnego (uzależnionego od stanu naprężenia) stanu matrycy ilastej, jak również pokazują istnienie wartości progowej zagęszczenia ziaren piasku, powyżej której zjawisko "strukturyzacji" matrycy wpływa istotnie na wodoprzepuszczalność mieszanki. W świetle przeprowadzonych badań, wyniki doświadczalne porównano w sposób jakościowy i ilościowy z oszacowaniami empirycznymi typowych modeli homogenizacji, co pozwoliło na wskazanie zakresu poprawnego działania użytych modeli matematycznych.

Słowa kluczowe

EN

permeability; sand-clay mixture; homogenization; void ratio; volume ratio

PL

wodoprzepuszczalność; mieszanka piasek-ił; homogenizacja; wskaźnik porowatości; wskaźnik objętości

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 56, nr 4
• Strony: 299--320
• Opis fizyczny: Bibliogr. 41 poz., il.

Twórcy

autor

Kacprzak G.

autor

Boutin C.

autor

Doanh T.

• University of Technology, Warszawa,

Bibliografia

• 1. LCPC/SETRA Réalisation des remblais et des couches de forme, Guide technique GTR.(2000).
• 2. C. BOUTIN, J-L. AURIAULT, Dynamic behavior of porous media saturated by a visoelastic fluid. Application to bituminous concrete. Int. J. Engng. Science, 28, 11, pp 1157-1181, 1990.
• 3. V. GEORGIANOU, J. BURLAND, D. HIGHT, The undrained behavior of clayed sands in triaxial compression and extension. Geotechnique, 41, 3. pp 383-393, 1990.
• 4. D.M. WOOD, G.V. KUMAR, Experimental observation of' behavior of heterogeneous soils. Int. J. Cohesive Frictionnal Materials, 5, pp 373-398, 2000.
• 5. S. THEYANAYAGAM, Role of intergranular contacts, friction and interactions on undrained responses of granular mixes. Physics and mechanics of soil liquefaction. Lade - Yamamuro Eds, pp 67-78, Balkema Rotterdam, 1999.
• 6. J-S. LEE, M. GUIMARAES, J.C. SANTAMARINA, Micaceous sand: Microscale mechanisms and macroscale response. J. Geotcchnical and Geoenvironnement engineering, 133, 9, pp 1136-1143, 2007.
• 7. J-K. KIM, J.C. SANTAMARINA, Sand-Rubber mixtures (large rubber chips). Revue Canadienne de Geotechnique, pp 1457-1466, 2008.
• 8. G. KACPRZAK, Etude. du comportement mécanique des mélanges sable/argile. PhD ENTPE/INSA, 2006.
• 9. C. BOUTIN, G. KACPRZAK, T. DOANH, Interpretation of the stiffness and permeability of Sand-Kaolin mixtures in the framework of homogenization. Anais da Academia Brasileira de Ciências, 82, l, pp 243-260,2010.
• 10. E. LISZKOWSKA, On the universal Carman-Kozeny equation for permeability estimation of granular deposits, Geologos 1, 1996.
• 11. R. P. CHAPUIS, M. AUBERTIN, On the use of the Kozeny-Carman equitation to predict the hydraulic conductivily of soils, Canadian Geotechnical Journal, 40, pp 616-628, 2003.
• 12. S. PISARCZYK, Physical and mechanical features of coarse-grained soils of some valleys of mountain rivers. PhD Thesis, Warsaw Technical University 1971, [in Polish].
• 13. K. BIERNATOWSKI, E. DEMBICKI, K. DZIERŻAWSKI, W. WOLSKI, Foundation engineering. Design and execution, Warszawa, Arkady, 1987, [in Polish].
• 14. W. KOLLIS, Technical soil knowledge, Arkady, Warszawa, 1966, [in Polish].
• 15. Z. PAZDRO, General hydrogeology Wyd. Geol., Warszawa, 1983, [in Polish].
• 16. S. PISARCZYK, B. RYMSZA, Laboratory and field research of soils, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1988, [in Polish].
• 17. BN-76/8950-30 Polish Standard. Hydrotechnical construction. Calculation of coefficient of filtration of cohesionless soils based on their graining and porousness [in Polish].
• 18. M. AMER, M. ASCE, AMIN, A. AWAD, Permeability of cohesionless soils, Journal of the Geotcchnical Engineering Division, 100. 12, pp 1039-1316, 1974.
• 19. F. TAYENAS, P. LEBLOND, P. JEAN, S. LEROUEIL, The permeability of natural soft clays. Part II : Permeability characteristics, Canadian Geotechnical Journal, 20, 4, pp 645-660, 1983.
• 20. A.M. SAMARASINGHE, Y.H. HUANG, V.P. DRNEVICH, Permeability and consolidation of normally consolidated soils, Journal of the Geotechnical Engineering Division, 108, 6, pp 835-850, 1982.
• 21. T.S. NAGARAJ, N.S. PANDIAN, P.S.R. NARASIMHA RAJU, Stress-state-permeability relations for overconsolidated clays, Géotechnique, 44, 2, pp 349-352, 1994.
• 22. G. MESRI, R.E. OLSON, Mechanism controlling the permeability of clays, Clays and Clay Minerals, 19, pp 151-158, 1971.
• 23. A. AL TABBAA, D. MUIR WOOD, Some measurements of the permeability of kaolin, Géotechnique, 37, 4, pp 499-503, 1987.
• 24. A.B. HAMIDON, Some laboratory studies of anisotropy of permeability of kaolin, PhD Thesis University of Glasgow, 1994.
• 25. G.V. KUMAR, Some Aspects of The Mechanical Behavior of Mixtures of Kaolin and Coarse Sand, PhD Thesis University of Glasgow, 1996.
• 26. T.C. KENNEY, W.A VAN VEEN, M.A. SWALLOW, M.A. SUNGALIA, Hydraulic conductivity of compacted bentonite-sand mixtures, Canadian Geotechnical Journal, 29, pp 364-374, 1992.
• 27. R.P. CHAPUIS, Sand-bentonite liners: predicting permeability from laboratory tests, Canadian Geotechnical Journal, 27, pp 47-57, 1990.
• 28. D.M. WOOD, Soil behavior and critical stale soil mechanics, Cambridge University Press, 1990.
• 29. J.K. MITCHELL, Fundamentals of soil behavior, Wiley, NewYork, 1976.
• 30. B. ŁUCZAK-WILAMOWSKA, Shear strength of mixed soils: clay - sand, Zeszyty Naukowe Politechniki Białostockiej, Z. 28, t. 1, s. 201-211, 2006 [in Polish].
• 31. J.L. AURIAULT, Heterogeneous media: Is an Equivalent Homogeneous Description Always Possible? Int. J. Engng. Sci., 29, pp 785-795, 1991.
• 32. E. SANCHEZ-PALENCIA, Non-homogeneous media and vibration theory. In Lectures Notes in Physics, 127, Springer-Verlag, Berlin, 1980.
• 33. J.A. LUIZAR-OBREGON, M.A. MURAD. F.A. ROCHINHA, Computational Homogenization of non linear hydromechanical coupling in poroelasticity. International Journal of Multiscale Computational Engineering, 4, pp 693-732, 2006.
• 34. T. CHU, Z. HASHIN, Plastic behaviour of composite and porous media under isotropic stress Int. J. Engng. Sci., 9, pp 971-994, 1971.
• 35. G. TANDON, G. WENG, A theory of particulate reinforced of plasticity. J. Appl. Mech., 55, pp 126-135, 1988.
• 36. Y. QIU, G. WENG, A theory of plasticity for porous material and particulate reinforced composites. J. Appl. Mech., 59. pp 1919-1951, 1992.
• 37. G. DVORAK, Y. BAHEI-EL-DIN, A. WAFA, The modeling of inelastic composite materials with the transformation field analysis. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng, 2, pp 571-586, 1994.
• 38. J.C. MICHEL, H. MOULINEC, P. SUQUET, A computational scheme for linear and non linear composites with arbitrary phase contrast. Int. J. Numer. Meth. Engng., 52, pp 139-160, 2001.
• 39. P. SUQUET, Effective behavior of nonlinear composites in continuum micromechanics, P. Suquet and A. Zaoui. Eds. pp 197-264 Springer, Wien New York, 1997.
• 40. J.-P. BOELHER. Applications of Tensor Functions in Solid Mechanics. CISM Courses and Lectures. Springer Verlag, Wien, NY., 1987.
• 41. Z. HASHIN, Assessment of self consistent scheme approximation: Conductivity of particulate composites. J. Comp. Mater., 2, pp 284-304, 1968.