On the compressibility and shear strength of natural clays

Abstract

The compressibility and strength characteristics of reconstituted clays are used as a basic frame of reference for interpreting the corresponding characteristics of natural sedimentary clays. The properties of reconstituted clays are termed ‘intrinsic’ properties since they are inherent to the soil and independent of the natural state. The properties of a natural clay differ from its intrinsic properties due to the influence of soil structure (fabric and bonding). Thus the intrinsic properties provide a frame of reference for assessing the in situ state of a natural clay and the influence of structure on its in situ properties. A new normalizing parameter called the void index is introduced to aid in correlating the compression characteristics of various clays. The sedimentation compression curves for most, but not all, natural clays lie well above the corresponding intrinsic compression curves. A consequence of this is that such clays are more sensitive and brittle than the reconstituted material and the post-yield compression index Cc is usually much greater than the intrinsic value. This observation has important consequences for stress-path testing of soft clays. The location of the natural sedimentation curve relative to the intrinsic one is shown to depend on depositional conditions and on post-depositional processes such as leaching. The undrained strength of a normally consolidated natural sediment is shown to be primarily a function of the in situ effective stresses and of the soil structure and not of the moisture content. For overconsolidated natural clays the intrinsic compression line provides a useful means of assessing the degree of overconsolidation. Also the ratio of the intrinsic swelling index to the undisturbed swelling index (the swell sensitivity) is a valuable measure of bonding. The strength properties of two overconsolidated clays (Todi Clay and London Clay) are presented and the intact strengths are shown to be greater than the corresponding intrinsic strengths. However, both clays show brittle behaviour with the formation of shear surfaces at peak intact strength. The strength on such a shear surface drops rapidly to a well defined post-rupture strength after a few millimeters relative displacement The post-rupture strength must be clearly distinguished from the residual strength which requires much larger relative displacements to develop. Evidence is given which indicates that the post-rupture strength may be relevant to many stability problems in stiff clays and may also control the in situ stresses during geological unloading. For Todi Clay and London Clay the post-rupture strengths at low confining stresses are close to the intrinsic critical state strengths. More study is required before this can be accepted as a general result for most clays. Les caractéristiques de compressibilité et de résistance des argiles reconstituées s'emploient comme base générale pour interpréter les caractéristiques correspondantes des argiles sédimentaires naturelles. Les propriétés des argiles reconstituées sont définies comme des propriétés ‘intrinsèques,’ parce qu'elles sont propres au sol et indepéndantes de l'état naturel. Les propriétés d'une argile naturelle diffèrent de ses propriétés intrinsèques à cause de l'influence de la structure du sol (fabrique et liage). Les propriétés intrinsèques fournissent ainsi une base générate pour évaluer l'état in situ d'une argile naturelle et l'influence de la structure sur ses propriétés in situ. Un nouveau paramètre normalisant appelé indice des vides est introduit pour aider dans la corrélation des caractéristiques de compression des argiles diverses. Pour la plupart des argiles naturelles, mais pas pour toutes, les courbes de compression de sédimentation se situent bien au-dessus des courbes de compression intrinsèques correspondantes. De telles argiles sont par par conséquent plus sensibles et fragiles que la matière reconstituée et l'indice de compression après l'écoulement C c est normalement plus élevé que la valeur intrinsèque. Cette constatation a d'importantes conséquences pour les expériences effectuées au suget du chemin de contrainte des argiles tendres. On démontre comment l'emplacement d'une courbe de sédimentation naturelle par rapport à la courbe intrinsèque dépend des conditions de dépôt et des événements suivant le dépôt, tels que le lessivage. On démontre aussi que la résistance non-drainée d'un sédiment naturel normalement consolidé est en premier lieu une fonction des contraintes effectives in situ et de la structure du sol, et non de la teneur en eau. Pour les argiles naturelles surconsolidées la ligne de compression intrinsèque fournit un moyen utile pour évaluer le degré de surconsolidation. Le rapport entre l'indice de gonflement intrinsèque et l'indice de gonflement non remanié (la sensibilité au gonflement) représente une indication très utile des liaisons. Les propriétés de résistance de deux argiles surconsolidées (argile de Todi et argile de Londres) sont presentées, et on démontre que les résistances intactes sont supérieures aux résistances intrinsèques correspondantes. Cependant les deux argiles se comportent de façon fragile avec la formation de surfaces de cisaillement à la résistance intacte de pic. Sur une telle surface de cisaillement la résistance décrit rapidement à une résistance bien-définie après-rupture apres quelques millimètres de déplacement relatif. Il faut dis-tinguer clairement entre la résistance après-rupture et la résistance résiduelle, qui ne se développe que pour des déplacements relatifs plus importants. Des données sont présentées que indiquent que la résistance après-rupture peut être importante pour beaucoup de problèmes de stabilité dans les argiles raides et peut aussi contrôler les contraintes in situ pendant le déchargement géologique. Dans les cas de l'argile de Todi et de l'argile de Londres les résistances après-rupture à des valeurs basses de contrainte avec étreinte latérale sont très près des résistances intrinsèques de l'état critique. Des études approfondies seront nécessaires pour confirmer la validité de ce résultat pair la plupart des argiles.