Swelling Characteristics of Compacted, Expansive Soils

Abstract

The limitations of existing methods for the prediction of swelling behavior of compacted soils are examined. Both the purely theoretical approach and the purely empirical approach are found to be inadequate. The present study is based on a semi-empirical approach in which a model of swelling behavior is developed leading to equations relating swelling potential or swelling pressure of a compacted soil to its plasticity index, clay content and initial molding water content. The model is based on the concepts of the diffuse double layer, modified by introducing empirical constants to account for elastic swelling effects and other limitations involved in the direct application of double layer theory to real soils. The empirical constants are evaluated from the results of experimental investigations carried out on a large number of soil samples representing a wide variation of clay content as well as consistency limits.

It is shown that the predicted values of the swelling potential and swelling pressure based on the proposed model agree closely with the experimental results of this study and those reported in the literature. Furthermore, the equations developed in this study are of a more general nature and appear to be applicable to a larger range of soil types than those previously published.

Résumé

Les limitations des méthodes existantes pour la prédiction du gonflement de sols compactés sont examinées. On trouve que l’approche purement théorique et l’approche purement empirique sont toutes deux inappropriées. L’étude présente est fondée sur une approche semi empirique dans laquelle on développe un modèle de comportement gonflant qui conduit à des équations reliant le potentiel de gonflement ou la pression de gonflement d’un sol compacté, à son indice de plasticité, sa teneur en argile et sa teneur initiale en eau lors du moulage. Ce modèle est fondé sur les concepts de la double couche diffuse, modifi6e en introduisant des constantes empiriques qui tiennent compte des effets de gonflement élastique et d’autres limitations inhérentes à l’application directe de la théorie de la double couche à des sols réels. Les constantes empiriques sont évaluées à partir des résultats de recherches expérimentales effectuées sur un grand nombre d’échantillons de sols représentant une large gamme de teneurs en argile et de limites de cohésion.

On montre que les valeurs prédites pour le potentiel de gonflement et la pression de gonflement fondées sur le modèle proposé sont en accord étroit avec les résultats expérimentaux de ce travail et avec ceux de la littérature. En outre, les équations développées ici sont d’une nature beaucoup plus géné ale et semblent applicables à une plus grande varié é de types de sols, que celles qui avaient été publiées antérieurement.

Kurzreferat

Es werden die Begrenzungen bestehender Methoden für die Voraussage von Quellungsverhalten verdichteteter Böden untersucht. Es gestgestellt, dass sowohl die rein theoretische Methode als auch die rein empirische Methode ungenügend sind. Die gegenwäartige Untersuchung basiert auf einer half-empirischen Methode, bei welcher ein modellmässiges Quellungsverhalten entwickelt wird um Gleichungen zu erhalten, die das Quellungspotential oder den Quellungsdruck eines verdichteten Bodens in Beziehung zum Plastizitätsindex, Tongehalt und anfänglichem Formwassergehalt desselben bringen. Das Modell gründet sich auf die Begriffe der diffusen Doppelschicht theorie, abgeändert durch Einführung empirischer Konstanter zur Berücksichtigung der elastischen Quellwirkungen und anderer Begrenzungen, die eine unmittelbare Anwendung der Doppelschicht-theorie auf wirkliche Böden mit sich bringt. Die empirischen Konstanten werden aus den Ergebnissen versuchsmässiger Untersuchungen, die mit einer grossen Zahl von Bodenproben, die einen weiten Bereich von Tongehalten und Kosistenzgrenzen darstellen, ausgeführt wurden, abgeschätzt.

Es wird gezeigt, dass die auf Grund des vorgeschlagenen Modells vorausgesagten Werte des Quellungspotentials und des Quellungsdrucks eng mit den Versuchsergebnissen dieser Untersuchung und den Literaturdaten übereinstimmen. Darüber hinaus sind die in dieser Untersuchung entwickelten Gleichungen von einer allgemeineren Art und scheinen auf einen weiteren Bereich von Bodenarten anwendbar zu sein als die bisher veröffentlichten.

Резюме

Рассмотрены ограничения методов прогнозирования разбухания компактных почв. Установлено, что результаты использования чисто теоретического и чисто эмпирического подходов не являются равноценными. Исследование основано на полуэмпирическом подходе, в котором развито представление о процессе разбухания, приводящее к уравнениям, связывающим потенциал разбухания или давление разбухания компактных почв с их коэффициентом пластичности, содержанием глинистой компоненты и начальным содержанием воды. Подобное моделирование основано на концепции диффузного двойного слоя, несколько измененной введением эмпирических констант для учета эффектов эластичного разбухания и других ограничений, обусловленных прямым применением теории двойного слоя к реальным почвам. Эмпирические константы оценены по результатам экспериментальных исследований большого количества образцов почв с широкими вариациями как содержания глинистого компонента, так и плотности грунта.

Показано, что предсказанные на основе предложенного метода значения потенциала разбухания и давления разбухания хорошо согласуются с экспериментальными результатами проведенного исследования и литературными данными. Кроме того, уравнения, предложенные авторами, имеют более общее значение и, по всей вероятности, применимы к более разнообразным почвам, чем ранее разработанные методы.