Experimental Investigations on Hydro-mechanical Processes in Reconstituted Clay Shale and Their Significance for Constitutive Modelling

Abstract

The hydro-mechanical processes of a reconstituted clay shale (Opalinus Clay) were studied and implications for constitutive modelling of swellable clay shales derived. The study aims to provide further insights into these coupled processes. For that, oedometric swelling tests with varying boundary conditions and loading paths, oedometric compression tests under dry and saturated conditions, and permeability tests were performed. The results showed a unique preloading line for the dry state when plotting the void ratio against the vertical stress. For saturated states, this line was shifted to the left (to smaller stresses) which revealed a severe reduction of preloading stress due to saturation. All loading paths converged in a normal compression line (NCL) regardless of the mechanical boundary conditions during saturation. A trend line affine to the NCL was established for swelling pressures at different initial void ratios. The influence of saturation on the mechanical properties became further evident, as the un-/reloading stiffness was significantly reduced. A linear relationship between volumetric deformation and saturation was found. A severe swelling induced reduction of permeability in the saturated state was demonstrated and confirmed by the analysis of consolidation processes during oedometric loading. The experimental findings were used to derive fundamental assumptions for constitutive modelling and were discussed within a numerical framework for expansive soils.

Validierung und Kalibrierung eines hypoplastischen Stoffmodells für expansive Böden

“…Die elastische Steifigkeit σ=ϰ ist im gesättigten Zustand kleiner als im trockenen/teilgesättigten Zustand. Ödometerversuche an teilgesättigten Böden zeigen eine zunehmende Reduzierung der elastischen Steifigkeit mit fortschreitender Sättigung [10,12,13], wie in Bild 3 erkennbar. Eine einfache Interpolation zwischen dem Wert ϰ ref im möglichst trockenen bzw.…”

“…In Gl. Experimente [10,12] zeigen weiterhin, dass die B-Linie und die NCC zueinander affin sind. Daraus folgt, dass der Kompressionsindex λ kein Materialparameter ist, sondern gemäß Gl.…”

“…Experimente zeigen, dass gesättigte Zustände am Ende einer Reihe von axialen Freiquellversuchen und Quelldruckversuchen jeweils einen zur NCC und B-Linie affinen Zustand erreichen [10,18,19], der im Stoffmodell durch die Einführung einer dritten Linie, der w-Linie, abgebildet wird. In diesem Zustand liegt die Porenzahl im gesättigten Zustand e w vor.…”

“…Die Zusammensetzung des erweiterten porösen Mediums ist in Bild 1 dargestellt. Die interessierte Leserschaft wird auf [8][9][10] verwiesen.…”