Interpretation of the loading-wetting behaviour of compacted soils within the 'MPK' framework. Part I: Static compaction

Depending on the state paths, loading-wetting of compacted unsaturated soils can exhibit complex volumetric behaviour, such as swelling, collapse, collapse followed by swelling, swelling followed by collapse, and swelling pressure development. Microscopically, these behaviours arise from complex interactions among applied stresses, air- water pressure deficit or suction at the water menisci, moisture content or degree of saturation in the voids, and the nature of the micro- and macrosoil aggregates of compacted soils that depend on the level of suction. While significant advances have been made in modelling hydromechanical behaviour of compacted unsaturated soils taking these interactions into account, input parameter determination requires advanced testing equipment and the testing processes can be very time-consuming. In 2012, a relatively simple and practical framework within the void ratio--moisture ratio (water volume / solid volume)--net stress space (referred to as the MPK framework) has been proposed by Kodikara to explain- predict these state paths. A desirable feature of this framework is that it identifies a direct link between the well- known compaction curve and the compacted soil constitutive behaviour. This paper presents a comprehensive series of tests on statically compacted soils, the results of which are in close agreement with this framework. Two soil types, namely lightly reactive kaolin and more reactive clay (referred to as Merri Creek soil), were used in the testing. The soils were prepared with different moisture contents from the dry state and statically compacted at constant water content to obtain void ratio--moisture ratio--net stress constitutive surfaces, as well as soil specimens for state path tests. The state path test results of yielding under loading, collapse under wetting, swelling pressure development, and change in yield pressure due to wetting are explained within this framework. In addition, some published data on a silty soil mixture were also analysed, highlighting that the framework is valid, regardless of the degree of reactivity of the soil. Suction was not measured in the authors' experiments, as it was not required to explain the above state paths according to this framework. However, it is recognised that suction is the conjugate state variable to the moisture content. Therefore, in future experiments, suction will be measured and its role will be fully explained within the framework, adding more generality. Key words: compacted soils, void ratio--moisture ratio--net stress space (MPK) framework, unsaturated soils, collapse, swelling pressure. En fonction des chemins d'etat, le chargement et l'humidification de sols compactes non satures peuvent entrainer des comportements volumetriques complexes, tels qu'un gonflement, un effondrement, un effondrement suivi d'un gonflement, un gonflement suivi d'un effondrement ou une augmentation de la pression de gonflement. A l'echelle microscopique, ces comportements apparaissent sous l'effet d'interactions complexes entre les contraintes exercees, d'une pression negative a l'interface air-eau ou d'un phenomene de succion sous forme d'un menisque concave a la surface de l'eau, de la teneur en eau ou du degre de saturation dans les vides et de la nature des microgranulats et des macrogranulats de sols compactes, laquelle depend de l'intensite de la succion. Bien que des progres importants aient ete accomplis dans la modelisation du comportement hydromecanique de sols compactes non satures, laquelle tient compte de ces interactions, la determination des parametres de depart necessite l'utilisation d'appareils d'essais sophistiques et la realisation d'essais peut prendre beaucoup de temps. Recemment, une methode pratique et relativement simple, utilisant l'indice des vides, le coefficient d'humidite (volume d'eau/volume solide) et les contraintes nettes (appelee methode MPK), a ete proposee par Kodikara en 2012 pour expliquer et predire ces chemins d'etat. On desire que cette methode soit capable de mettre en evidence un lien direct entre la courbe de compactage deja connue et le comportement constitutif du sol compacte. Le present article presente une serie complete d'essais realises sur des sols soumis a un compactage statique, les resultats de ces essais semblant bien concorder avec la methode MPK. Deux types de sols, soit un sol compose de kaolin legerement reactif et un sol d'argile, plus reactive ou << sol de Merri Creek >>, ont ete utilises dans le cadre des essais. Des echantillons de sol ayant differentes teneurs en eau ont ete prepares a partir de l'etat sec et soumis a un compactage statique a teneur en eau constante, de maniere a ce que l'on obtienne des surfaces constitutives comportant l'indice de vide, le coefficient d'humidite et les contraintes nettes, ainsi que des specimens de sol destines aux essais de caracterisation des chemins d'etat. Les resultats de ces derniers essais, relatifs a la rupture sous l'effet d'une charge, a l'effondrement sous l'effet de l'humidification, a l'augmentation de la pression de gonflement et aux variations de pression rupture dues a l'humidification, sont expliques a l'aide de la methode MPK. En outre, certaines donnees publiees et relatives a un echantillon de sol limoneux sont analysees et permettent d'affirmer que cette methode est valide, quel que soit le niveau de reactivite du sol considere. La succion n'a pas ete mesuree dans le cadre des experiences realisees par les auteurs, cela n'etant pas necessaire pour expliquer les chemins d'etats mentionnes cidessus en fonction de la methode MPK. Cependant, on a admis que la succion etait une variable d'etat associee a la teneur en eau. Par consequent, lors de futures experiences, la succion sera mesuree et son role sera integralement explique a l'aide de la methode MPK, ce qui permettra de faire davantage de generalisations. [Traduit par la Redaction] Mots-cles : sols compactes, methode pratique utilisant l'indice des vides, le coefficient d'humidite et les contraintes nettes (MPK), sols non satures, effondrement, pression de gonflement.
Introduction For the last half century, modelling of the hydromechanical behaviour of unsaturated soils has been a frontier in soil mechanics research, with many significant advances (e.g., Bishop 1959; Matyas [...]