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Engineering problems in Leda clay
Law, K. T.; Bozozuk, M.
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Ser
TH1
N 2 1 d
0 .
1589
c ,
2
National Research
Consdl national
BLDG
Council Canada
de
mcherches
Canada
- -
Institute for
lnstitut de
Research in
recherche en
Construction
construction
- -
Engineering Problems in Leda
Clay
by K.T. taw and M. Bozozuk
Appeared
in
Proceedings of the International Conference
(ICEPRS
'88), Beijing, China. August
11
-15, 1988
"Engineering
Problems
of Regional
Soils",
p.
775-792
(IRG
Paper
No.
1589)
Reprinted with permission
NRCC
30239
NRC-
CISTII R C
L I B R A R Y
B I B L I O T H ~ Q U E
I R C
C N R C-
1CISTL'argde de LCda est un matdriau tres sensible qu'on trouve dans une des regions les plus
indusmalisCes du Canada. Son comportement dans l'Ctude et la resolution de probkmes de
genie est examine.
Pami
les nombreuses caractdristiques de cette m e ,
deux ressortent
:
1)
l'existence d'une structure d'argile qui est le produit d'un environment sddimentaire,
de l'iige et d'une histoire gCologique, et 2) le comportement dans le temps de l'argile sous
des charges externes. Ces caractCristiques influent sur l'amplitude et la vitesse du
msement sous un remblai, la stabilitC des remblais, les pentes et les aanchdes naturelles, la
conception des piliers, la s&tC dynarnique des travaux de tenassement, le tassement dii
ii
des problemes de retrait et de gel. S'appuyant sur des essais de laboratoire et sur des
Ctudes sur le terrain et diantCcddents remontant
trois ddcennies, des ingknieurs
g6otechniciens ont maintenant mis au point des solutions acceptables
2t
chacune de ces
applications techniques. Ces solutions sont analysCes dans le present document.
ENGINEERING PROBLEMS
IN LEDA
CLAY
K.
T.
Law
Senior Research Officers
Institute for Research in Construction
National Research Council of Canada
H.
~ozozukOttawa, Ontario,
K I A
OR6SYNOPSIS Leda c l a y i s a h i g h l y s e n s i t i v e m a t e r i a l l o c a t e d i n one o f t h e m o s t
i n d u s t r a l i t e d r e g i o n s i n Canada. I t s b e h a v i o u r r e l a t e d t o e n g i n e e r i n g p r o b l e m s and s o l u t i o n s i s r e v i e w e d . Among t h e many c h a r a c t e r i s t i c s o f t h f s c l a y , t w o s t a n d o u t : 1 ) t h e e x i s t e n c e of a c l a y s t r u c t u r e f o r m e d as a r e s u l t o f d e p o s i t i o n e n v i r o n m e n t , age and g e o l o g i c h i s t o r y and 2 ) t i m e d e p e n d e n t b e h a v i o u r o f t h e c l a y , u n d e r e x t e r n a l l o a d i n g . These c h a r a c t e r i s t i c s i n f l u e n c e t h e m a g n i t u d e and r a t e o f s e t t l e m e n t u n d e r embankment. s t a b i l i t y o f embankments, n a t u r a l s l o p e s and c u t s , p i l e d e s i g n , d y n a m i c s a f e t y o f e a r t h - s t r u c t u r e s , s e t t l e m e n t d u e t o s h r i n k a g e and f r e e z i n g p r o b l e m s . Based on t e s t i n g i n t h e l a b o r a t o r i e s as w e l l as i n t h e f i e l d and c a s e h i s t o r y s t u d i e s o v e r t h e p a s t t h r e e decades, g e o t e c h n h i c a l e n g i n e e r s now have d e v e l o p e d a c c e p t a b l e s o l u t i o n s t o each o f t h e s e e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s . They a r e d i s c u s s e d i n t h i s p a p e r .
INTROOUCTION Because o f t h e d e p o s i t i o n e n v i r o n m e n t , t h e c l a y f a b r i c i s composed o f s i l t and c l a y L e d a c l a y i s o f p o s t - g l a c i a l o r i g i n a n d p a r t i c l e s a r r a n g e d i n an open f l o c c u l a t e d c o v e r s l a r g e a r e a s i n t h e l o w l a n d s o f t h e S t s t r u c t u r e . T h i s open s t r u c t u r e h a s been t h e L a w r e n c e R l v e r and I t s t r l b u t a r l e s ( F i g u r e c a u s e o f much u n u s u a l b e h a v i o u r and many 1 ) . The c l a y was d e p o s l t e d i n t h e $ h a m p l a i n e n g i n e e r i n g p r o b l e m s . The most d r a m a t i c Sea d u r l n g a s i n g l e m a r i n e e p i s o d e t h a t b e h a v i o u r i s t h e h i g h s e n s i t i v i t y o f t h e e n d e d as a r e s u l t o f d i f f e r e n t i a l u p l i f t o f t h e l a n d and was r e p l a c e d i n p r o g r e s s i v e s t a g e s f l r s t b y e s t u a r l n e t h e n by f r e s h w a t e r l a c u s t r i n e and f l u v i a l a n c e s t o r s o f t h e p r e s e n t f r e s h w a t e r d r a l n a g e s y s t e m " (Gadd 1 9 6 3 ) . D a t i n g s t u d i e s by K a r r o w ( 1 9 6 1 ) p l a c e t h e t i m e o f o r i g i n o f t h e c l a y b e t w e e n 12000 a n d BOO0 y e a r s BP. FlGURE 1. D i s t r i b u t i o n o f Leda c l a y ( s h a d e d a r e a ) ( a f t e r C r a w f o r d 1 9 6 8 )
F I G U R E
2 . D e m o n s t r a t i o n o f u n d i s t u r b e d and r e m o u l d e d s t r e n q t i ~ o f Leda c l a y ( a f t e r C r a w f o r d 1 9 6 8 )c l a y , d e f i n e d as t h e r a t i o o f u n d i s t u r b e d t o t h e r e m o u l d e d s t r c n g t n as i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 7 . The c l a y on t h e l e f t i s i n t h e u n d i r t a r b e d s t a g e a n d i s a b l e t o s u p p o r t a s : ~ t ~ s ! a n : i ? . l : 3 s d . A f t e r r e m o u l d i n g w i t 4 o u t c h a 1 3 f i ~ t i e a o i s t u r e c o n t e n t , t h e c l a y i s t u r n e d t o a v i r t u a l l i q u i d as shown o n t h e r i g h t . Tile s e n s i t i v i t y o f t h i s p a r t i c u l a r c l a y , t h e r e f o r e , a p p r o a c h e s i n f i n i t y . The c o n s e q u e n c e o f e n g i n e e r i n g p r o b l e m s i n L e d a c l a y i s s e r i o u s b e c a u s e t h e c l a y i s l o c a t e d i n o n e o f t h e m o s t i n d u s t r i a l a n d p o p u l a t e d r e g i o n s i n Canada. Many l a n d s l i d e s i n L e d a c l a y o c c u r e a c h y e a r . The 1 9 7 1 S a i n t J e a n V i a n n e y s l i d e ( T a v e n a s e t a1 1 9 7 1 ) , f o r i n s t a n c e , c l a i m e d 3 1 l i v e s a n d i n v o l v e d s e v e r a l m i l l i o n c u b i c m e t r e s o f c l a y . T r a n s p o r t a t i o n r o u t e s h a v e t o b e l o c a t e d away f r o m p o s s i b l e s l i d i n g a r e a s o r e l s e e x p e n s i v e d e s i g n m e a s u r e s h a v e t o b e i m p l e m e n t e d . S l o p e s n e a r v a l u a b l e r e s i d e n t i a l z o n e s h a v e . t o b e p r o t e c t e d t o e l i m i n a t e s l i d i n g p o t e n t i a l . F o u n d a t i o n s f o r b u i l d i n g s , b r i d g e s a n d e a r t h s t r u c t u r e s h a v e t o b e d e s i g n e d a g a i n s t e x c e s s i v e s e t t l e m e n t s . R e s e a r c h o v e r t h e p a s t 30 y e a r s h a s h e l p e d g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r s t o u n d e r s t a n d t h e b e h a v i o u r o f t h i s c l a y . S o l u t i o n s t o some i m p o r t a n t e n g i n e e r i n g a c t i v i t i e s h a v e b e e n d e v e l o p e d . I n t h i s p a p e r , a summary o f t h e r e s e a r c h r e s u l t s i s p r e s e n t e d . GENERAL PROPERTIES L e d a c l a y i s a s i l t y c l a y w i t h v a r y i n g c o n t e n t s o f s i l t s i z e p a r t i c l e s . The s i l t s i z e c o n t e n t c o m m o n l y r a n g e s f r o m 2 0 t o 50%. T h e m i n e r a l o g i c a l c o m p o s i t i o n o f t h e c l a y i s q u i t e c o m p l e x a n d i s d e p e n d e n t o n l o c a t i o n . K a r r o w ( 1 9 6 1 ) a n d G i l l o t t ( 1 9 7 1 ) r e p o r t e d t h e p r e s e n c e o f a b u n d a n t i l l i t e a n d c h l o r i t e a n d m o d e r a t e v e r m i c u l i t e . R o c k - f o r m i n g m i n e r a l s s u c h as f e l d s p a r s , q u a r t z a n d a m p h i b o l e c o n s t i t u t e a s i g n i f i c a n t p r o p o r t i o n o f t h e $ l a y s i z e f r a c t i o n a s w e l l as t h e s i l t s i z e I r a c t i on. L e d a c l a y u s u a l l y h a s a l i q u i d i t y i n d e x i n e x c e s s o f 1.0. T h i s g i v e s t h e c l a y a q u i c k c o n d i t i o n when r e m o u l d e d . T h e p l a s t i c i t y i n d e x v a r i e s f r o m s l t e t o s f t e w i t h a r a n g e o f 1 5 % t o 40%. U n l i k e N o r w e g i a n q u i c k c l a y , t h e s e n s i t i v i t y o f L e d a c l a y i s r e l a t i v e l y i n d e p e n d e n t o f t h e a b s o l u t e s a l t c o n t e n t i n t h e p o r e f l u f d ( P e n n e r 1 9 6 5 ) . A r e l a t i o n s h i p e x i s t s b e t w e e n s e n s i t i v i t y a n d e l e c t r o k i n e t i c p o t e n t i a l w h i c h i s a m e a s u r e o f i n t e r p a r t i c l e r e p u l s i o n . B e s i d e s s e n s i t i v i t y t o r e m o u l d i n g , L e d a c l a y i s a l s o s e n s i t i v e t o d i s t u r b a n c e d u r i n g s a m p l i n g w h i c h l e a d s t o a r e d u c t i o n b o t h i n s t r e n g t h a n d i n r i g i d i t y . S u c h d i s t w b a n c e s h o u l d b e m i n i m i z e d i n o r d e r t o c o r r e c t l y a s s e s s t h e m a t e r i a l b e h a v i o u r . To m i n i m i z e s a m p l i n g d i s t u r b a n c e , t h i n - w a l l s a m p l i n g t u b e s a r e u s e d w i t h n o i n s i d e c l e a r a n c e a n d w i t h a d i a m e t e r 'exceedi.ng 1 0 0 mm ( L a R o c h e l l e e t a1 1 9 8 1 ) . The e n s u i n g d i s c u s s i o n i s b a s e d o n t e s t s o n h i g h q u a l i t y s a m p l e s u n l e s s s p e c i f i e d o t h e r w i s e .
STRENGTH AND YIELD ENVELOPES
S t r e n g t h E n v e l o p e The p e a k s t r e n g t h e n v e l o p e o f L e d a c l a y e x p r e s s e d o n a p ' - q p l o t f o r ' c o m p r e s s i o n l o a d i n g t y p i c a l l y c o n s i s t s o f t h r e e s e c t i o n s ( L o a n d M o r i n 1972, Woyg 1 9 7 7 , Law 1 9 7 4 a n d M i t c h e l l 1 9 7 5 ) w h e r e p = ( a 1 + a;)/2 a n d q = ( 0 ;
-
0;)/2 w h i l e=i
a n d a; a r e t h e m a j o r a n d m i n o r p r i n c i p a l e f f e c t i v e s t r e s s e s . E a c h s e c t i o n c o r r e s p o n d s t o a d i f f e r e n t s t r e s s r a n g e a n d f a i l u r e mode ( F i g u r e 3 ) . I n t h e l o w s t r e s s r a n g e ( s e c t i o n 1 ) . t h e e n v e l o p e i s c u r v e d a n d r e l a t i v e l y s t e e p w i t h a s m a l l c o h e s i o n i n t e r c e p t . T h i s c u r v e d n a t u r e i s a t t r i b u t e d t o t h e c l a y s t r u c t u r e f o r m e d i n s i t u . A t t h e l o w e n d o f t h i s r a n g e , d i l a t i v e f a i l u r e p r e d o m i n a t e s w i t h v e r t i c a l s p l i t t i n g i n t h e t e s t e d s a m p l e s ( F i g u r e 4 a ) . As t h e 1 s t r e s s i n c r e a s e s t h e d i l a t i v e a n d v e r t i c a l s p l i t t i n g mode g r a d u a l l y d i m i n i s h . I n t h e s e c o n d s e c t i o n t h e s t r e s s r a n g e i s i n t h e v i c i n i t y o f t h e i n s i t u e f f e c t i v e s t r e s s v a l u e . The e n v e l o p e i s r e l a t i v e l y f l a t o r e v e n d i p s d o w n w a r d s w i t h i n c r e a s i n g s t r e s s ( L o a n d M o r i n 1 9 7 2 a n d T a v e n a s a n d L e r o u e i l 1 9 7 7 ) . The f a i l u r e mode i s c o n t r a c t i v e , a c c o m p a n i e d b y w e l l d e f i n e d s h e a r p l a n e s a t FIGURE 3. S t r e n t h e n v e l o p e s f o r a s o f t L e d a c l a y ! a f t e r Law 1 9 7 4 )(Low)
(MEDIUM) (HIGH)(A) (B)
('3
FIGURE 4. F a i l u r e modes o f L e d a c l a y - a t d i f f e r e n t s t r e s s r a n g e s
a b o u t 55'
-
60' t o t h e d i r e c t i o n o f m i n o r p r i n c i p a l s t r e s s ( F i g u r e 4 b ) . The t h i r d s e c t i o n c o r r e s p o n d s t o a h i g h s t r e s s r a n g e w h e r e t h e o r i g i n a l c l a y s t r u c t u r e s a r e d e s t r o y e d . The f a i l u r e mode i s d e f i n i t e l y c o n t r a c t i v e , a s s o c i a t e d w i t h b u l g i n g i n t h e m i d d l e o f t h e salmple ( F i g u r e 4 c ) . The s t r e n g t h e n v e l o p e i s l i n e a r , s i m i l a r t o a n o r m a l l y c o n s o l i d a t e d c l a y . The c o h e s i o n i n t e r c e p t ( c ' ) i s z e r o and t h e a n g l e?f
i n t e r n a l f r i c t i o n (0') v a r i e s f r o m 24 t o 28'. I n s e c t i o n s l..a-nd 2, t h e p o s t - p e a k s t r e n g t h e n v e l o p e c o r r e s p o n d i n g t o l a r g e s h e a r s t r a i n s i s g e n e r a l l y l o w e r t h a n t h e peak s t r e n g t h e n v e l o p e . The p o s t - p e a k s t r e n g t h e n v e l o p e , h o w e v e r , i s h i g h e r t h a n t h e u n s t r u c t u r e d e n v e l o p e c o r r e s p o n d i n g t o t h e n o r m a l l y c o n s o l i d a t e d s t a t e i n s e c t i o n 3. I n s e c t i o n 3, t h e c o n s o l i d a t i o n p r e s s u r e c o m p l e t e l y d e s t r o y s t h e s t r u c t u r e . T h e r e i s , t h e r e f o r e , no d i s t i n c t i o n b e t w e e n peak, p o s t - p e a k and u n s t r u c t u r e d s t r e n g t h e n v e l o p e s . s e g m e n t s . Tavenas e t a1 ( 1 9 7 9 ) p r o p o s e d p l o t t i n g t h e s t r e s s vs t h e s t r a i n e n e r g y ( w ) , w h i c h i s a f u n c t i o n o f b o t h s h e a r s t r a i n a n d v o l u m e t r i c s t r a i n . The y i e l d p o i n t i s d e f i n e d on t h i s p l o t as t h e t u r n i n g p o i n t w h e r e w s t a r t s t o i n c r e a s e r a p i d l y w i t h s t r e s s ( F i g u r e 5 c ) . The y i e l d e n v e l o p e f o r Leda c l a y h a s b e e n s t u d i e d by M i t c h e l l ( 1 9 7 0 ) , Wong ( 1 9 7 2 ) and Tavenas and L e r o u e i l ( 1 9 7 7 ) . These a u t h o r s showed t h a t f o r s i m i l a r r a t e o f s t r a i n ,a
u n i q u e y i e l d e n v e l o p e e x f s t s f o r d i f f e r e n t s t r e s s p a t h s ( F i g u r e 6 ) . The e n v e l o p e i s n o t s y m m e t r i c a l a b o u t t h e p ' a x i s . I n s t e a d , t h e e n v e l o p e i s e l l i p i t i c a l i n s h a p e and s y m m e t r i c a l a b o u t t h e KO l i n e w h e r e KO i s t h e c o e f f i c i e n t o f e a r t h p r e s s u r e a t r e s t . FIGURE 5. D e f i n i t i o n o f y i e l d p o i n t a:, c a = e f f e c t i v e a x i a l s t r e s s and a x i a l s t r a i n w=
s t r a i n e n e r g y Y i e l d E n v e l o p e The t h e o r e t i c a l d e f i n i t i o n o f a y i e l d e n v e l o p e i n c l a s s i c a l m e c h a n i c s i s s i m p l y t h e b o u n d a r y s u r f a c e s e p a r a t i n g t h e e l a s t i c r e g l o n and t h e p l a s t i c r e g i o n . I n t h e e l a s t i c r e g i o n , 1 in e a r b e h a v i o u r p r e v a i 1 s. The c o m p r e s s i b i l i t y i s s m a l l and t h e s t r a i n e n e r g y i s f u l l y r e c o v e r a b l e upon r e m o v a l o f t h e a p p l i e d l o a d . I n t h e p l a s t i c r e g i o n , n o n - l i n e a r b e h a v i o u r p r e d o m i n a t e s . The c o m p r e s s i b i l i t y i s h i g h and t h e s t r a i n e n e r g y i s n o t f u l l y r e c o v e r a b l e . C o n s e q u e n t l y , t h e d e f i n i t i o n o f a y i e l d p o i n t f r o m a c e r t a i n s t r e s s s t r a i n c u r v e i s t h e p o i n t w h e r e n o n - l i n e a r i t y s t a r t s t o a p p e a r . T h i s c0ncep.t p r e s e n t s d i f f i c u l t i e s i n a c t u a l y i e l d p o i n t d e t e r m i n a t i o n as t h e t r a n s i t i o n f r o m l i n e a r t o n o n - l i n e a r b e h a v i o u r i s o f t e n g r a d u a l f o r many s o i l s i n c l u d i n g Leda c l a y . O t h e r m e t h o d s o f d e t e r m i n a t i o n , t h e r e f o r e , h a v e been d e v e l o p e d . M i t c h e l l ( 1 9 7 0 ) o b s e r v e d t h a t t h e s t r e s s - v o l u m e t r i c s t r a i n c u r v e c a n b e a p p r o x i m a r e d by t w o l i n e a r s e g m e n t s . He d e f i n e d t h e y i e l d p o i n t as t h e i n t e r s e c t i o n o f e x t r a p o l a t i n g t h e t w o segments ( F i g u r e 5 a ) . C r o o k s and Sraham ( 1 9 7 6 ) f o u n d t h a t d i f f e r e n t d e f i n i t i o n s a r e r e q u i r e d f o r d i f f e r e n t a p p l i e d s t r e s s p a t h s . I n a d d i t i o n t o q i t c h e l l ' s method, t h e y s u g g e s t e d p l o t t i n g t h e l o g a r i t h m o f s t r e s s vs a x i a l s t r a i n ( F i g u r e 5 b ) . The y i e l d p o i n t i s a g a i n t h e i n t e r s e c t i o n o f t h e t w o a p p r o x i m a t i n g l i n e a r FIGURE 6. Y i e l d l o c i - S t . A l b a n ,3
m d e p t h ( a f t e r T a v e n a s and L e r o u e i l 1 9 7 7 ) F u r t h e r m o r e , f o r t h e same m a t e r i a l w i t h d i f f e r e n t p r e c o n s o l i d a t i o n p r e s s u r e s , t h e shape o f t h e y i e l d l o c i i s h o m o t h e t i c . Qua1 i t a t i v e s t u d y o f t h e y i e l d e n v e l o p e h a s been c a r r i e d o u t b y Tavenas and L e r o u e i l ( 1 9 7 7 ) a n d L e r o u e i l e t a1 ( 1 9 7 9 ) . They showed t h a t t h e e n v e l o p e i s i n f l u e n c e d by e f f e c t s o f g e o l o g i c a l h i s t o r y and s t r a i n i n g r a t e . A l i m i t s t a t e c u r v e was u s e d t o encompass b o t h t h e y i e l d e n v e l o p e and t h e c t ~ r v e d p o r t i o n ( s e c t i o n s 1 and 2) o f t h e ; t r e n g t h e n v e l o p e . T h i s 1 i m i t s t a t e c u r v e f o r c l a y i n s i t u i s a f u n c t i o n o f t h e c l a y s t r u c t u r e f o r m e d u n d e r t h e c o m b i n e d e f f e c t s o f d e p o s ~ t i on e n v i r o n m e n t , s t r e s s h i s t o r y , c h e m i c a l c o m p o s i t i o n , a g i n g , m i n e r a l o g y , t h i x o t r o p i c h a r d e n i n g a n d c e m e n t a t i o n . T h i s c u r v e w i l l d e f o r m when t h e c l a y i s l e a d e d b y man-made a c t i v i t i e s , e i t h e r i n t h e l a b o r a t o r y o r b e c a u s e o f c o n s t r u c t i o n a c t i v i t i e s g . When t h e s t r a i n i n g r a t e i s d e c r e a s e d o r 'when t h e d u r a t i o n o f l o a d a p p l i c a t i o n i s i n c r e a s e d , t h e l i m i t s t a t e w i l l s h r i n k h o m o t h e t i c a l l y t o w a r d s t h e o r i g i n a l ( F i g u r e 7 ) . T h i s b e h a v i o u r w i l l t h e n a f f e c t t h e e n g i n e e r i n g b e h a v i o u r o f t h e c l a y as w i l l b e shown l a t e r . CONSOLIDATION CHARACTERISTICS Two d i s t i n c t f e a t u r e s o f t h e c o n s o l i d a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f Leda c l a y w e r e r e c o g n i z e d i n t h e 1 9 5 0 ' s . The f i r s t i s an u n u s u a l l yFIGURE 7. E f f e c t o f t i m e o n t h e y i e l d l o c u s - S t . A l b a n . 3 m d e p t h ( a f t e r T a v e n a s a n d L e r o u e i l 1 9 7 7 ) s h a r p c h a n g e o f c o m p r e s s i b i l i t y a t t h e p r e c o n s o l i d a t i o n p r e s s u r e , P-, a s shown i n F i g u r e 8 ( C r a w f o r d 1 9 5 3 ) . T i i s p r e s s u r e i s now r e c o g n i z e d as a y i e l d p o i n t c o r r e s p o n d i n g t o t h e d e s t r u c t i o n o f t h e r e l a t i v e l y r i g i d s t r u c t u r e f o r m e d i n s i t u . F o r s a t i s f a c t o r y s e t t l e m e n t e s t i m a t e s , P, m u s t b e r e l i a b l y e v a l u a t e d . The s e c o n d i s t h e s t r o n g t i m e - d e p e n d e n c y o f PC and, h e n c e , c o m p r e s s i b i l i t y . T h i s c h a r a c t e r i s t i c was f t r s t r e p o r t e d b y H a m i l t o n and C r a w f o r d ( 1 9 5 9 ) I n t h e i r s e a r c h f o r a r e l f a b l e m e t h o d o f d e t e r m i n i n g PC. F u r t h e r s t u d i e s ( C r a w f o r d 1964, C r a w f o r d 1 9 6 5 , B j e r r u m 1 9 6 7 , B j e r r u m 1972, B j e r r u m 1 9 7 3 and L e r o u e i l 1 9 8 6 ) h a v e p r o v i d e d i m p o r t a n t I n s i g h t s o n t h e c o n s o l i d a t i o n b e h a v i o u r o f s o f t s e n s i t i v e c l a y s . B j e r r u m ( 1 9 6 7 , 1972, a n d 1 9 7 3 ) d e s c r i b e d a m e c h a n i s t i c m o d e l f o r t h e c o n s o l i d a t i o n o f n o r m a l l y - c o n s o l i d a t e d m a r i n e c l a y s . I t a p p l i e s t o a n o r m a l l y - c o n s o l i d a t e d c l a y when l e f t u n d e r a c o n s t a n t v e r t i c a l e f f e c t i v e s t r e s s f o r t h o u s a n d s o f y e a r s . The m o d e l i s a l s o a p p l i c a b l e t o L e d a c l a y . The v o i d r a t i o o f t h e c l a y w i l l b e r e d u c e d as a r e s u l t o f - s e c o n d a r y c o m p r e s s t o n . The g r e a t e r t h e d u r a t i o n o f l o a d , t h e l a r g e r w i l l b e t h e v o l d r a t i o r e d u c t t o n . Hence, a f a m i l y o f c u r v e s o n t h e e
-
l o g P p l o t c a n b e obtained, e a c h c o r r e s p o n d f n g t o a d i f f e r e n t d u r a t i o n o f J o a d i n g ( F i g u r e 9 ) . T h e v o i d r a t i o r e d u c t i o n r e s u l t s i n a m o r e s t a b l e s t r u c t u r e w i t h g r e a t e r r e s i s t a n c e a g a i n s t d e f o r m a t i o n and s h e a r i n g s t r e s s . When a l o a d i s now a p p l i e d t o t h e c l a y , t h i s e x t r a r e s i s t a n c e w i l l b e d i s p l a y e d i n v a r i o u s f o r m s , o n e o f w h i c h i s an a p p a r e n t P, e x c e e d i n g t h e maximum p a s t e f f e c t j v e o v e F b u r d e n p r e s s u r e . T h e a c t u a l a m o u n t o f e x c e e d a n c e i s d e p e n d e n t o n how f a s t t h e l o a d i s a p p l i e d . As shown i n F i g u r e 9, t h e h i g h e r t h e l o a d i n g r a b e , t h e f a r t h e r r i g h t t h e e-
l o g P c u r v e w i l l move. T h i s p r o c e s s o f v o i d r a t i o r e d u c t i o n w i t h t i m e i s t h e c a u s e f o r t h e t i m e d e p e n d e n t b e h a v i o u r o f c o m p r e s s i b i l i t y a n d o f t h e l i m i t s t a t e c u r v e . The a p p a r e n t p r e c o n s o l i d a t i o n p r e s s u r e f o r L e d a c l a y c a n a l s o b e i n f l u e n c e d b y o t h e r f a c t o r s . C r a w f o r d a n d Eden ( 1 9 6 5 ) showedPRESSURE. TONS PER SWARE F W T
FIGURE 8. T y p i c a l e - l o g p c u r v e s f o r L e d a c l a y ( C r a w f o r d 1 9 5 3 ) F I G U R E 9. G e o l o g i c a l h i s t o r y a 2 d c o m p r e s - ; i b i l f t y o f a " y o u n g a n d a n a g e d n o r m a l l y c o n s o l i d a t e d c l a y ( a f t e r B j e r r u m 1 9 7 3 ) t h a t t h e t r a d i t i o n a l c o n c e p t o f o v e r c o n s o l i d a t i o n as a r e s u l t o f e r o s i o n a p p l i e s t o t h i s c l a y . Chagnon ( p r i v a t e c o m m u n i c a t i o n 1 9 8 8 ) i n d i c a t e d t h a t p a s t e a r t h q u a k e a c t i v i t i e s c a n a l s o i n c r e a s e PC. D i f f e r e n t m e t h o d s h a v e b e e n u s e d t o a s s e s s t h e P, v a l u e . T h e s e i n c l u d e t h e c o n v e n t i o n a l o e d o m k t e r t e s t b a s e d o n i n c r e m e n t a l l o a d s a p p l i e d a t 2 4 - h o u r i n t e r v a l s , t h e c o n s t a n t s t r a i n r a t e t e s t a n d t h e c o n s t a n t g r a d i e n t t e s t . D i f f e r e n t s t r a i n r a t e s p r e v a i l i n
t h e s e t e s t s , r e s u l t i n g i n d i f f e r e n t PC v a l u e s . T h e m o s t r e l i a b l e v a l u e w i l l b e t h e o n e t h a t c o r r e l a t e s w e l l w i t h o b s e r v a t i o n s i n t h e f i e l d . B a s e d o n s e t t l e m e n t a n d p o r e p r e s s u r e r e c o r d s o b t a i n e d f r o m u n d e r e m b a n k m e n t s , M o r i n e t a1 ( 1 9 8 3 ) p r o p o s e d t h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n t o c o r r e c t t h e 1 a b o r a t o r y v a l u e s . 'c, i n s i t u = a 1 P C , c o n v w h e r e PC, in ,it,,
=
p r e c o n s o l i d a t i o n p r e s s u r e i n t h e f i e l d , a n d'c,
c o n v = c o n v e n t i o n a l o e d o m e t e r t e s t w i t h i n c r e m e n t a l l o a d s a p p l i e d a t 2 4 - h o u r i n t e r v a l s , 1.1 f o r OCR c ' 1 . 2 o r:
1.0 f o r 1 . 2 O C R c 2 . 5 o r = 0.9 f o r 2 . 5 c OCR c 4 . 5 . w h e r e OCR=
o v e r c o n s o l i d a t i o n r a t i o . B e s i d e s t h eP,
v a l u e , t h e c o m p r e s s i b i l i t y o f t h e s o i l i s a l s o r e q u i r e d f o r e s t i m a t i n g s e t t l e m e n t . F i g u r e 1 0 s h o w s a c o m p a r i s o n o f a t y p i c a l i n s i t u c o m p r e s s i b i l i t y c u r v e w i t h I t h o s e o b t a i n e d i n t h e l a b o r a t o r y f o r v a r i o u s s t r a i n r a t e s ( L e r o u e i 1 1 9 8 6 ) . A t p r e s s u r e s l o w e r t h a n PC, t h e l a b o r a t o r y c u r v e s h o w s a h i g h e r c o m p r e s s i b i l i t y t h a n t h e f i e l d o n e . L e r o u e i l ( 1 9 8 6 ) s u g g e s t e d t h a t s a m p l e I d i s t u r b a n c e a n d d i f f e r e n c e i n e f f e c t i v e s t r e s s p a t h s a r e t h e c a u s e s o f t h e d i s c r e p a n c y . E v e n f o r h i g h q u a 1 i t y s a m p l e s , I t h e d i s t u r b a n c e stemmed f r o m s a m p l i n g a n d t r i m m i n g t o s i z e f o r t e s t i n g i s s i g n i f i c a n t a t t h i s l o w p r e s s u r e r a n g e . A t p r e s s u r e s e x c e e d i n g PC, h o w e v e r , t h e l a b o r a t o r y c u r v e h a s a l o w e r c o m p r e s s i b i l i t y t h a n t h e f i e l d c u r v e . T h i s d i f f e r e n c e may b e a t t r i b u t e d m a i n l y t o t h e f a c t t h a t t h e s t r a i n r a t e i n t h e f i e l d v a r i e s d u r i n g t h e c o n s o l i d a t i o n p r o c e s s a n d i s u s u a l l y l o w e r t h a n t h e r a t e s u s e d i n t h e l a b o r a t o r y . When t h e s t r a i n r a t e i s p r o p e r l y a c c o u n t e d f o r L e r o u e i l ( 1 9 8 6 ) d e m o n s t r a t e d t h a t t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n e f f e c t i v e v e r t i c a l s t r e s s , v e r t i c a l s t r a i n a n d s t r a i n r a t e e s t a b l i s h e d i n t h e l a b o r a t o r y f o r l a r q e s t r a i n ( 1 0 % ) i s a p p l i c a b l e t o t h e f i e l d . B e c a u s e o f t i m e e f f e c t s , i t i s e x p e c t e d t h a t t h e f i e l d r a t e o f c o n s o l i d a t i o n w i l l b e d i f f e r e n t f r o m t h a t e s t i m a t e d f r o m t h e l a b o r a t o r y t e s t s b a s e d o n T e r z a g h i ' s t h e o r y . As C r a w f o r d a n d B u r n ( 1 9 7 6 ) p o i n t e d o u t , when L e d a c l a y i s l o a d e d t o a s t r e s s i n t e n s i t y s t r a d d l i n gP,,
t h e c l a y s t r u c t u r e w i l l c o l l a p s e , r e G u l t i n g i n a g r e a t e r s e t t l e m e n t a n d a g e n e r r a t i o n o f e x c e s s p o r e p r e s s u r e . T h e s e e f f e c t s a r e f a r m o r e s i g n i f i c a n t i n t h e f i e l d b e c a u s e o f t h e l o n g e r d r a i n a g e p a t h t h a n i n t h e l a b o r a t o r y t e s t s p e c i m e n s . T h e c o e f f i c i e n t o f c o n s o l i d a t i o n , C V , d e t e r m i n e d f r o m e m b a n k m e n t s e t t l e m e n t r e c o r d s , t h e r e f o r e , w i l l b e g r e a t e r t h a n t h a t f r o m t h e l a b o r a t o r y t e s t . F o r a n e m b a n k m e n t a t S t . A l b a n , f o r i n s t a n c e , ( L e r o u e i l 1 9 8 6 ) , t h e f i e l d v a l u e i s 8 t i m e s t h a t o f t h e l a b o r a t o r y v a l u e . On t h e o t h e r h a n d , when p o r e p r e s s u r e r e a d i n g s a r e u s e d , t h e f i e l d C,, w i l l b e l o w e r t h a n t h e l a b o r a t o r y C,,. I f th; p o r e p r e s s u r e o e n e r a t e d b v t h e s t r u E t u r e c o l l a p s e i s e q u a l t o t h e p o r e - p r e s s u r e d i s s i p a t e d by c o n s o l i d a t i o n , t h e n e t d i s s i p a t i o n w i l l b e z e r o . T h e d e d u c e d f i e l d Cv w i l l b e z e r o a s w e l l . I n o r d e r t o e v a l u a t e t h e m a g n i t u d e a n d r a t e o f s e t t l e m e n t o f L e d a c l a y u n d e r l o a d , t h e t i m e - d e p e n d e n t c o m p r e s s i b i l i t y m u s t b e c o n s i d e r e d . T h e o r i e s i n c o r p o r a t i n g s e c o n d a r y c o m p r e s s i o n p r o v i d e a means o f a s s e s s i n g t h e t i m e - d e p e n d e n t b e h a v i o u r . Some s u c c e s s b a s e d o n t h i s g e n e r a l a p p r o a c h h a s b e e n r e p o r t e d ( L o e t a l . 1 9 7 6 , M e s s r i a n d G o d l e w s k i 1 9 7 7 ) . M o r e r e s e a r c h , h o w e v e r , i s s t i l l n e e d e d a s e v i d e n c e d b y t h e r e c e n t p r e d i c t i o n e x e r c i s e o n t h e G l o u c e s t e r t e s t f i l l ( B o z o z u k a n d Law 1 9 8 8 ) . P r e d i c t i o n s w e r e s o l i c i t e d f r o m l e a d i n g r e s e a r c h e r s b e f o r e c o n s t r u c t i o n . T h e p r e d i c t i o n s w e r e c o m p a r e d w i t h t h e a c t u a l m e a s u r e m e n t s t h r o u g h a p e r i o d o f 4 y e a r s a f t e r c o n s t r u c t i o n . T h e r e was a s i g n i f i c a n t d i s c r e p a n c y i n t h e p r e d i c t e d a n d m e a s u r e d s e t t l e m e n t r a t e s .I
PORE PRESSURE RESPONSEFIGURE 10. C o m p a r i s o n b e t w e e n i n s i t u a n d T h e p o r e p r e s s u r e r e s p o n s e o f s o i l u n d e r c o n v e n t i o n a l 2 4 h r s l a b o r a t o r y s h e a r h a s a n i m p o r t a n t b e a r i n g o n
S t r e s S - s t r a i n c u r v e s f o r e a s t e r n g e o t e c h n i c a l d e s i g n . D i f f e r e n t p o r e p r e s s u r e C a n a d a c l a y s ( a f t e r L e r o u e i l r e s p o n s e s l e a d t o d i f f e r e n t e f f e c t i v e s t r e s s
s t r e n g t h b u t a l s o t h e p o s t - p e a k s t r e n g t h . The v a l u e s o f e i t h e r o n e o r b o t h s t r e n g t h s a r e r e q u i r e d i n e v a l u a t i n g b e a r i n g c a p a c i t y o f f o o t i n g s , s t a b i l i t y o f n a t u r a l s l o p e s a n d s a f e t y o f e m b a n k m e n t a n d e x c a v a t i o n . One c o n v e n i e n t way o f s t u d y i n g p o r e p r e s s u r e r e s p o n s e o f s a t u r a t e d s o i l s i s b y means o f S k e m p t o n B s p o r e p r e s s u r e p a r a m e t e r A ( S k e m p t o n 1 9 5 4 ) w h i c h i s d e f i n e d b y : w h e r e LalB b o 3 = m a j o r a n d m i n o r p r i n c i p a l t o t a l s t r e s s i n c r e m e n t s , r e s p e c t i v e l y ; Au = e x c e s s p o r e p r e s s u r e . A t t h e p o i n t o f f a i l u r e , A i s d e n o t e d b y A f . F o r a w h i l e , Af was c o n s i d e r e d t o h a v e v a l u e s i n e x c e s s o f 1.0 f o r s e n s i t i v e c l a y s ( S k e m p t o n 1 9 5 4 a n d C r a w f o r d 1 9 5 9 ) . Such h i g h v a l u e s w e r e m e a s u r e d f o r t w o r e a s o n s . F i r s t , a t t h e t i m e t h e s e h i g h v a l u e s w e r e r e p o r t e d , t h e r e was i n s u f f i c i e n t a p p r e c i a t i o n o f d i s t u r b a n c e d u r i n g s a m p l i n g o f t h i s s e n s i t i v e s o i l . C o n s e q u e n t l y , t h e Af v a l u e was h i g h e r t h a n t h a t o f t h e u n d i s t u r b e d c a s e . S e c o n d l y , many o f t h e t e s t s w e r e c o n d u c t e d a t c o n s o l i d a t i o n p r e s s u r e s e x c e e d i n g
P
.
Such h i g h p r e s s u r e s d e s t r o y e d t h e n a t u r a f l y - f o r m e d s t r u c t u r e a n d p r o d u c e d t h e same e f f e c t on e x c e s s p o r e p r e s s u r e as i n t h e c a s e o f d i s t u r b a n c e . The i n c r e a s e o f A, w i t h a n o r m a l i z e d c o n s o l i d a t i o n pressu;e f o r a s o f t L e d a c l a y i s shown i n F i g u r e 11. G r a d u a l l y , s a m p l i n g t e c h n i q u e s i m p r o v e d a n d a p p r e c i a t i o n o f t h e n e e d t o t e s t s o i l a t t h e c o r r e c t p r e s s u r e g r e w . T h e v a l u e o f Af r e p o r t e d i n l i t e r a t u r e s t a r t e d t o d r o p . s a m p l e s w e r e c o n s o l i d a t e d a t p r e s s u r e s a p p r o x i m a t e l y e q u a l t o t h e i n s i t u v a l u e s . The s t u d y e x a m i n e d b o t h t h e t r i a x i a l a n d t h e p l a n e s t r a i n c o n d i t i o n s . Hence, t h e i n t e r m e d i a t e p r i n c i p a l t o t a l S t r e s s i n c r e m e n t i s i n v o l v e d a n d t h e H e n k e l ' s p o r e p r e s s u r e e q u a t i o n ( 1 9 6 0 ) h a s b e e n u s e d : w h e r e A U=
~c h a n g e i n o c t a h e d r a l n a r m a l ~ ~I
s t r e s s , & q = c h a n g e i n o c t a h e d r a l s h ' e a r s t r e s s , a n d g f*
p o r e p r e s s u r e p a r a m e t e r a t f a i l u r e . The r e s u l t o f t h e a n a l y s i s shows t h a t 9, i s n o t s i g n i f i c a n t l y d i f f e r e n t f r o m z e r o . T h i s i m p l i e s t h a t t h e p o r e p r e s s u - r e r e s p o n s e i s e l a s t i c . T h e c o r r e s p o n d i n g Af v a l u e s f o r t h e t r i a x i a l a n d t h e p l a n e s t r a i n c o n d i t i o n s a r e 0.33 a n d 0.50, r e s p e c t i v e l y . T h e s e r e s u l t s g r e a t l y s i m p l i f y t h e e s t i m a t e o f p o r e p r e s s u r e s u n d e r e m b a n k m e n t s a s i l l u s t r a t e d b y Law a n d B o z o z u k ( 1 9 7 9 ) . I t i s r e c o g n i z e d t h a t t h e p o r e p r e s s u r e r e s p o n s e i s a l s o t i m e d e p e n d e n t . F o r t h e u s u a l d u r a t i o n o f embankment c o n s t r u c t i o n , t h e r e s u l t s o f Law ( 1 9 7 4 ) s h o w e d t h a t t h e e l a s t i c r e s p o n s e i s s t i l l a p p l i c a b l e . T h e a b o v e t r e a t m e n t d e a l s w i t h p o r e p r e s s u r e r e s p o n s e u p t o t h e p o i n t w h e r e t h e s o i l s t a r t s t o f a i l . F o r e m b a n k m e n t s o n s o f t L e d a c l a y , i t i s n o t uncommon t h a t some r e g i o n s o f t h e s u b s o i l may b e l o a d e d b e y o n d t h e f a i l u r e p o i n t (Law a n d L o 1 9 7 6 ) . M e t h o d s t o a c c o u n t f o r t h i s p o s t - p e a k r i s e o f p o r e p r e s s u r e h a v e b e e n d e v e l o p e d ( L a w a n d B o z o z u k 1 9 7 9 , L e r o u e i l e t a1 1 9 7 8 ) . STRENGTH ANISOTROPY I T h e s t r e n g t h o f L e d a c l a y i s i n t r i n s i c a l l y , a n i s o t r o p i c l a r g e l y b e c a u s e o f t h e mode o f d e p o s i t i o n a n d g e o l o g i c h i s t o r y . L o a n d FIGURE 11. V a r i a t i o n o f Af w i t h c o n s o ~ i a a t i o n p r e s s u r e (a;) f o r a s o f t L e d a c l a y a; = i n s i t u v e r t i c a l e f f e c t i v e s t r e s s Law a n d B o z o z u k ( 1 9 7 9 ) c o n d u c t e d a s t a t i s t i c a l s t u d y o n t h e p o r e p r e s s u r e r e s p o n s e f r o m t e s t s o n 127 mm d i a m e t e r O s t e r b e r g s a m p l e s a n d b l o c k s a m p l e s . T h e FIGURE 12. I n f l u e n c e o f d i f f e r e n t p h y s i c a l f a c t o r s on s t r e s s c o n d i t i o n s a t f a i l u r e i n s e n s i t i v e c l a y s ( a f t e r L o a n d M o r i n 1 9 7 2 )M o r i n ( 1 9 7 2 ) s h o w e d t h a t t h e p e a k s t r e n g t h e n v e l o p e i s d e p e n d e n t on t h e i n c l i n a t i o n ( i ) a t w h i c h t h e t e s t s p e c i m e n i s t r i m m e d f r o m t h e v e r t i c a l ( F i g u r e 1 2 ) . The m i n i m u m p e a k s t c e n g t h e n v e l o p e c o r r e s p o n d s t o i = 4 5 ' t o 9 0
.
T h e p o s t - p e a k s t r e n g t h , h o w e v e r , i s i n d e p e n d e n t o f i b e c a u s e t h e l a r g e s h e a r s t r a i n r e a r r a n g e s t h e c l a y s t r u c t u r e w h i c h , i n t u r n , r e d u c e s t h e e f f e c t s o f g e o l o g i c h i s t o r y . Such r e a r r a n g e m e n t d o e s n o t a p p e a r t o c o m p l e t e l y o b l i t e r a t e t h e g e o l o g i c e f f e c t s as i n d i c a t e d b y t h e p o s t - p e a k e n v e l o p e b e i n g h i g h e r t h a n t h e u n s t r u c t u r e d e n v e l o p e . T h e u s e o f t h e p o s t - p e a k s t r e n g t h e n v e l o p e f o r some p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s w i l l b e d i s c u s s e d l a t e r . A n i s o t r o p y i n L e d a c l a y , as i n o t h e r s o f t c l a y s , c a n a r i s e as a f u n c t i o n o f t e s t c o n d i t i o n s p a r t i c u l a r l y i n t h e u n d r a i n e d s t a t e . I d e n t i c a l s a m p l e s c o n s o l i d a t e d t o t h e same p r e s s u r e w i l l g i v e d i f f e r e n t u n d r a i n e d s t r e n g t h s when s h e a r e d i n d i f f e r e n t m a n n e r s . L a d d ( 1 9 7 2 ) s h o w e d , f o r a s o f t L e d a c l a y , t h a t t h e u n d r a i n e d c o m p r e s s i o n s t r e n g t h i s a p p r e c i a b l y h i g h e r t h a n t h e u n d r a i n e d e x t e n s i o n s t r e n g t h . B j e r r u m ( 1 9 7 3 ) p o i n t e d o u t t h a t t h e s h e a r s t r e s s i n t h e e x t e n s i o n t e s t s i s o p p o s i t e i n d i r e c t i o n t o t h a t f o r m e d i n s i t u . The o r i g i n a l s t r u c t u r e , t h e r e f o r e , h a s t o b e d e s t r o y e d w e l l b e f o r e r e a c h i n g t h e f a l l u r e c o n d i t i o n , r e s u l t i n g i n a r e d u c e d s t r e n g t h . T h e d i f f e r e n c e c a n a l s o b e e x p l a i n e d l a r g e l y b y p o r e p r e s s u r e o r s t r e s s p a t h e f f e c t s as i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 13. S i n c e t h e p o r e p r e s s u r e r e s p o n s e i s e l a s t i c , t h e A, f o r t h e e x t e n s i o n t e s t w i l l b e d o u b l e t h a tb f
t h e c o m p r e s s i o n t e s t ( L a w and H o l t z 1 9 7 8 ) . T h e e f f e c t i v e s t r e s s p a t h s w i l l r e a c h t h e a p p r o p r i a t e p e a k s t r e n g t h e n v e l o p e s a t d i f f e r e n t p o i n t s g i v i n g , t h e r e f o r e , d i f f e r e n t s t r e n g t h s . D i f f e r e n t s t r e s s p a t h s c a n a l s o b e u s e d t o e x p l a i n why t h e u n d r a i n e d s i m p l e s h e a r t e s t s s t r e n g t h i s d i f f e r e n t f r o m t h e t r i a x l a l s t r e n g t h . T h i s t e s t h a s b e e n u s e d o c c a s i o n a l l y f o r a n a l y z i n g e m b a n k m e n t s t a b i l i t y ( B j e r r u m 1 9 7 3 ) . 4 A-
COMPRESSION STRENGTH B-
EXTENSION STRENGTH-
ESP. COMPRESSION EST5 FIGURE 13. E f f e c t o f e f f e c t i v e s t r e s s p a t h ( E S P ) o n u n d r a i n e d s t r e n g t h T h e u n d r a i n e d s t r e n g t h a n i s o t r o p y c a n b e a c c o u n t e d f o r i n e m b a n k m e n t s t u d y a s shown 1 a t e r . EMBANKMENT S T A B I L I T Y A t y p i c a l e m b a n k m e n t o n s o f t L e d a c l a y n o r m a l l y c o n s i s t s o f a g r a n u l a r f i l l c o n s t r u c t e d o v e r a s u r f a c e d e s i c c a t e d c r u s t u n d e r l a i n b y a l a y e r o f c o m p r e s s i b l e i n t a c t c l a y . T h e s t a b i l i t y o f t h e e m b a n k m e n t d e p e n d s on t h e s t r e n g t h s o f t h e s e t h r e e m a t e r i a l s . T h e s t r e n g t h o f t h e s e m a t e r i a l s c a n b e . e x p r e s s e d i n t e r m s o f e f f e c t i v e s t r e s s e s a n d t h e s t a b i l i t y c a n b e a n a l y z e d b y t h e e f f e c t i v e s t r e s s m e t h o d . E x c e p t f o r t h e g r a n u T a r f i l l , t h i s m e t h o d r e q u i r e s d e t e r m i n a t i o n o f t h r e e q u a n t i t i e s ; n a m e l y p o r e p r e s s u r e , c o h e s i o n a n d f r i c t i o n a n g l e . T h e t o t a l s t r e s s a n a l y s i s , o n t h e o t h e r h a n d , o n l y r e q u i r e s t h e u n d r a i n e d s t r e n g t h a n d , t h e r e f o r e , h a s b e e n u s e d m o r e f r e q u e n t l y b y g e o t e c h n i c a l e n g i n e e r s . T h e a p p l i c a b i l i t y o f t h e t o t a l s t r e s s a n a l y s i s h a s b e e n q u e s t i o n e d . Law ( 1 9 7 4 ) a n d L e r o u e i l e t a1 ( 1 9 7 8 ) p r e s e n t e d e v i d e n c e o f s i g n i f i c a n t p o r e p r e s s u r e d i s s i p a t i o n i n t h e t o p l a y e r o f s o i l a t t h e e n d c f e m b a n k m e n t c o n s t r u c t i o n . H o w e v e r , M e s r i a n d C h o i (1981) a r g u e d t h a t i n s p i t e o f t h e d i s s i p a t i o n , t h e v o l u m e c h a n g e i s s o s m a l l t h a t t h e t o t a l s t r e s s a n a l y s i s i s s t i l l a p p l i c a b l e . L a w ' s ( 1 9 7 4 ) t e s t d a t a s u p p o r t t h e a r g u m e n t t h a t f o r l i m i t e d d i s s i p a t i o n a n d s m a l l v o l u m e c h a n g e t y p i c a l o f t h a t a t t h e e n d o f c o n s t r u c t i o n , f a i l u r e t a k e s p l a c e a l o n g t h e same l i m i t s t a t e c u r v e a s f o r t h e t e s t s w i t h o u t d i s s i p a t i o n . I n t h e f o l l o w i n g d i s c u s s i o n , t h e r e f o r e , e x c e p t f o r t h e f i l l , u n d r a i n e d s t r e n g t h i s c o n s i d e r e d . F i l l S t r e n g t h The f u l l s t r e n g t h o f t h e f i l l i s n o r m a l l y u s e d f o r e m b a n k m e n t a n a l y s i s , p a r t i c u l a r l y when t h e f i l l i s made o f g r a n u l a r m a t e r i a l . By c o m p a r i n g t h e l o c a t i o n s o f a c t u a l a n d e s t i m a t e d s l i p s u r f a c e s , L a R o c h e l l e e t a 1 ( 1 9 7 4 ) d e m o n s t r a t e d t h a t t h e f r i c t i o n a l r e s i s t a n c e o f t h e S t . A1 b a n e m b a n k m e n t f i 1 1 i s f u l l y m o b i l i z e d . F o r some f i l l m a t e r i a l t h a t i s s l i g h t l y c o h e s i v e a n d b r i t t l e , a v e r t i c a l l o n g i t u d i n a l c r a c k may s o m e t i m e s b e f o r m e d p r i o r t o f a i l u r e . A z e r o f i l l s t r e n g t h may t h e n b e j u s t i f i e d f o r a n a l y s i n g s u c h c a s e s . H o w e v e r . i t s h o u l d b e e m p h a s i z e d t h a t a n o p e n v e r t i c a l c r a c k s h o u l d n o t b e a s s u m e d f o r g r a n u l a r f i l l b e c a u s e s u c h a n a s s u m p t i o n w i l l o v e r e s t i m a t e
.
t h e f a c t o r o f s a f e t y as a r e s u l t o f t h e i n a b i l i t y o f t h e o p e n c r a c k t o t r a n s m i t a c t i v a t i n g h o r i z o n t a l p r e s s u r e t o t h e p o t e n t i a l f a i l i n g mass.C r u s t S t r e n g t h
I n i t s g e o l o g i c a l h i s t o r y , t h e t o p l a y e r o f Leda c l a y has been s u b j e c t e d t o d e s i c c a t i o n , f r o s t a c t i o n and w e a t h e r i n g . As a r e s u l t . t h e m o i s t u r e c o n t e n t i s d e c r e a s e d and f i s s u r e s a r e f o r m e d . T h i s a f f e c t e d l a y e r c a l l e d t h e c r u s t i s i l l u s t r a t e d by a t y p i c a l vane s t r e n g t h p r o f i l e i n F i g u r e 14. The s p a c i n g o f t h e f i s s u r e s a r e s i g n i f i c a n t l y c l o s e as f a r as t h e w h o l e embankment s t a b i l i t y i s c o n c e r n e d , b u t a r e t o o l a r g e t o r e f l e c t t h e weakness o f t h e f i s s u r e s d u r i n g a vane s h e a r t e s t o r even i n an u n u s u a l l y l a r g e d i a m e t e r ( l 5 0 mm) t r i a x i a l t e s t ( L a f l e u r e t a1
1 9 8 2 ) . The f i e l d vane and t h e t r i a x i a l t e s t , t h e r e f o r e , o v e r e s t i m a t e t h e o p e r a t i o n a l s t r e n g t h o f t h e c r u s t i n t h e f i e l d . The e f f e c t o f t h e o v e r e s t i m a t i o n depends on t h e t h i c k n e s s o f t h e c r u s t and t h e g e o m e t r y of t h e f i l l . F o r t h e S t . A l b a n c a s e , La R o c h e l l e e t a1 ( 1 9 7 4 ) showed t h a t t h e s a f e t y f a c t o r v a r i e s by 40% d e p e n d i n g on t h e a s s u m p t i o n o f t h e c r u s t s t r e n g t h . S i n c e t h e c o n v e n t i o n a l s t r e n g t h m e a s ~ r i n g d e v i c e t e n d s t o o v e r e s t i m a t e t h e c r u s t s t r e n g t h , a t t e m p t s b a s e d on o t h e r methods t o o b t a i n a more r e a l i s t i c s t r e n g t h h a v e been made. T h r e e a r b i t r a r y s t r e n g t h v a l u e s w e r e c o n s i d e r e d by La R o c h e l l e e t a1 ( 1 9 7 4 ) and shown i n F i g u r e 15. The f i r s t c o r r e s p o n d s t o t h e f u l l vane s t r e n g t h v a l u e and has been shown t o be t o o h i g h . The s e c o n d c o r r e s p o n d s t o t h e vane s t r e n g t h a t t h e m i d l e v e l o f t h e
FIELD VANE STRENGTH,
Su
kPa
c r u s t . The t h i r d c o r r e s p o n d s t o t h e v a n e s t r e n g t h a t t h e b o t t o m o f t h e c r u s t o r t h e minimum s t r e n g t h o f t h e u n d e r l y i n g i n t a c t c l a y . La R o c h e l l e e t a1 ( 1 9 7 4 ) showed t h a t t h i s minimum s t r e n g t h i s t o o c o n s e r v a t i v e . They a l s o p r o p o s e d a f o u r t h v a l u e e q u a l t o t h e u n d r a i n e d p o s t - p e a k s t r e n g t h . L e f e b v r e e t a1 ( 1 9 8 7 ) , h o w e v e r , has shown t h a t some c r u s t m a t e r i a l b e h a v e s i n a d i l a t a n t manner, w i t h t h e s t r e n g t h i n c r e a s i n g c o n t i n u o u s l y w i t h s t r a i n . T r a k e t a1 ( 1 9 8 0 ) s u g g e s t e d t h a t t h e c r u s t s t r e n g t h may be r e p r e s e n t e d by 0.22 PC. The d i f f i c u l t y o f t h i s m e t h o d i s t h a t PC v a l u e s i n t h e c r u s t a r e o f t e n w i d e l y s c a t t e r e d . L e f e b v r e e t a1 ( 1 9 8 7 ) p r o p o s e d a c r u s t s t r e n g t h ( F i g u r e 1 6 ) t h a t i s r e l a t e d t o t h e e f f e c t i v e v e r t i c a l p r e s s u r e o f t h e f i l l (AU,;). A t t h e t o p o f t h e c r u s t u n d e r t h e emb;nkm:nt, t h e c r u s t s t r e n g t h i s e q u a l t o 0.25 Aa,,. The s t r e n g t h t h e n d e c r e a s e s l i n e a r l ; t o t h e minimum i n t a c t s t r e n g t h a t t h e b o t t o m o f t h e c;ust, O u t s i d e t h e embankment * h e r e & a = 0, t h e c r u s t s t r e n g t h Y i s e q u a l t o t h e minimum s t r e n g t h . F o r a c i r c u l a r s l i p s u r f a c e , t h e l e n g t h o f s l i p s u r f a c e i n t h e c r u s t u n d e r t h e embankment i s e q u a l t o t h a t o u t s i d e i t . T h e r e f o r e , a s i m p l e a v e r a g e o f t h e s e t w o s t r e n g t h s c a n b e u s e d as r e p r e s e n t a t i v e o f c r u s t . s t r e n g t h f o r a n a l y s i s . To d a t e , t h i s l a t e s t a p p r o a c h a p p e a r s t o be m o s t r e a s o n a b l e t h o u g h t h e u s e o f t h e f a c t o r o f 0.25 needs r e f i n e m e n t t h r o u g h f u r t h e r r e s e a r c h . S t r e n g t h o f I n t a c t C l a y
The u s e o f t h e f i e l d vane s h e a r d e v i c e has b e e n p o p u l a r i n t h e p a s t t h r e e decades. B j e r r u m ( 1 9 7 2 , 1 9 7 3 ) s u m m a r i z e d t h e VANE STRENGTH t b I 1 I-
t-
FULL STRENGTH MUI Mi0 LEVEL 3TRWGT-I
FIGURE 14. F i e l d vane s t r e n g t h p r o f i l e a t K a r s b r i d g e s h o w i n g l o c a t i o n o f c r u s t FIGURE 15. S c h e m a t i c d i a g r a m s h o w i n g d i f f e r e n t a s s u m p t i o n s f o r t h e s t r e n g t h i n c r u s t
CDmR OF THE MBIdlKMEHl TOE OF THE ENBANKHENT MEAN PflOFllE - m ( Y WONFINED ZONE @I FIGURE 16. E s t i m a t i o n o f t h e u n d r a i n e d s h e a r s t r e n g t h i n t h e w e a t h e r e d c r u s t ( a f t e r L e f e b v r e e t a1 1 9 8 7 ) e x p e r i e n c e o f u s i n g t h e v a n e s t r e n g t h ( S u ) . i n v o l v i n g f i r s t t i m e l o a d i n g f a i l u r e s o f e m b a n k m e n t s o n s o f t c l a y s . A f a c t o r p , e x p r e s s e d i n t e r m s o f t h e p l a s t i c i t y i n d e x (I ) , i s d e v e l o p e d ( F i g u r e 1 7 ) t o a c c o u n t f o r a n y s o t r o p y , t i m e e f f e c t a n d p r o g r e s s i v e f a i l u r e . T h e o p e r a t i o n a l s t r e n g t h i s g i v e n b y t h e c o r r e c t e d s t r e n g t h PS,,. L a t e r , b y c o m b i n i n g B j e r r u m ' s c o r r e c t i o n c u r v e a n d t h e c u r v e f o r Su/Pc, M e s r i ( 1 9 7 5 ) s h o w e d t h a t t h e o p e r a t i o n a l s t r e n g t h c a n b e a p p r o x i m a t e l y g i v e n b y p S u = 0.22 PC a n d i s i n d e p e n d e n t o f t h e p l a s t i c i t y i n d e x ( F i g u r e 1 8 ) . T h i s a p p r o a c h was u s e d b y T r a k e t a1 ( 1 9 8 0 ) o n t w o f a i l u r e s o n L e d a c l a y . The r e s u l t i n g s a f e t y f a c t o r s w e r e 0 . 9 1 a n d 0.93. T h e s l i g h t d i f f e r e n c e f r o m 1.0 h a s b e e n e x p l a i n e d b y t h e u n c e r t a i n t y o f t h e c r u s t s t r e n g t h a n d t h e t e c h n i q u e s u s e d t o o b t a i n p. As w e l l t h e p r o b l e m s o f d e t e r m i n i n g t h e c o r r e c t PC v a l u e s may h a v e c o n t r i b u t e d t o t h e d i s c r e p a n c y . T h e a p p l i c a b i l i t y o f M e s r i ' s a p p r o a c h i m p 1 i e s t h e f o l l o w i n g : ( 1 ) The c o r r e c t i o n f a c t o r e s t a b l i s h e d f r o m o t h e r s o f t c l a y s i s a l s o a p p l i c a b l e t o s o f t L'eda c l a y . ( 2 ) T h e c o r r e c t i o n f a c t o r c a n b e a p p l i e d w i t h o u t u s i n g a m o d i f i e d p l a s t i c i t y i n d e x , a s s u g g e s t e d b y B j e r r u m ( 1 9 7 2 ) a n d L a R o c h e l l e e t a1 ( 1 9 7 4 ) . t o a c c o u n t f o r t h e h i g h s e n s i t i v i t y o f L e d a c l a y . T h e s e i m p l i c a t i o n s a r e c o n s i s t e n t w i t h t h e o b s e r v a t i o n s o f s i l o f a i l u r e s r e p o r t e d b y B o z o z u k ( 1 9 7 7 ) .
i
To d a t e , i t a p p e a r s t h a t t h e f i e l d v a n e s h e a r t e s t w i t h B j e r r u m ' s c o r r e c t i o n i s t h e m o s t a c c e p t a b l e t o o l f o r m e a s u r i n g t h e u n d r a i n e d s h e a r s t r e n g t h o f i n t a c t L e d a c l a y f o r e m b a n k m e n t s t a b i l i t y c o n s i d e r a t i o n , f o r f i r s tI
t i m e l o a d i n g . FIGURE 17. P r i n c i p l e o f a n a l y s i s o f t h e s t a b i l i t y o f e m b a n k m e n t s a n d f o o t i n g s on s o f t c l a y b a s e d o n c o r r e c t e d v a n e s h . e a r s t r e n g t h ( a f t e r B j e r r u m 1 9 7 2 ) FIGURE 18. ( a ) V a l u e s o f ( S u / P c ) v a n e f r o ~ n B j e r r u m ' s d a t a ; ( b ) v a l u e s o f ( S u / P c ' f i e l d u s i n g B j e r r u m ' s c o r r e c t i o n f a c t o r s ( a f t e r M e s r i S t a g e C o n s t r u c t i o n S t a g e c o n s t r u c t i o n i s a m e t h o d u s e d f o r b u i l d i n 0 2 m b a n k m e n t s o f c o n s i d e r a b l e h e i g h t o n s o f t c l a y s . A f i r s t s t a g eo f
f i l l f s p l a c e d i n s u c h a way t h a t c o n s o l i d a t f o n l e a d i n g t o i n c r e a s e o f s t r e n g t h i n t h ec l a y
w i l l t a k e p l a c e . When t h e s t r e n g t h i n c r e a s e r e a c h e s a c e r t a i n p o i n t , t h e s e c o n d o r f i n a l s t a g e c a n b e a d d e d . F o r s u c c e s s f u l a p p l i c a t i o n o f t h i s m e t h o d , t h e c l a y s t ~ e n g t h a f t e r t h e f i r s t s t a g e c o n s t r u c t i o n h a s t o b e :el i a b l y m e a s u r e d . T h e u s e f u l n e s s o f t h e c o r r e c t e d f i e l d v a n e s t r e n g t h f o r f . i r s t t i m e l o a d i n g c o n d i t i o n n a t u r a l l y l e d t o t h e u s e o f t h e same t e c h n i q u e f o r m e a s u r i n g s t r e n g t h u n d e r f i l l s a f t e r t h e f i r s t s t a g e h a d b e e n c o n s t r u c t e d f o r some t i m e . H o w e v e r , Law e t a 1 ( 1 9 7 7 ) i n c o n d u c t i n g v a n e t e s t s t h r o u g h e x i s t i n g f i l l s u p t o 1 6 y e a r s o l d o b s e r v e d t h a t t h e f i e l d v a n e t e s t s f a i l t o d e t e c t a n y s t r e n g t h g a i nc a u s e d b y t h e f i l l l o a d s w h i c h e x c e e d t h e p r e c o n s o l i d a t i o n p r e s s u r e Pp. On t h e o t h e r h a n d , s e t t l e m e n t r e c o r d s , m i i s t u r e c o n t e n t c h a n g e s a n d t r i a x i a l t e s t s o n c l a y t a k e n f r o m u n d e r t h e f i l l s , a l l i n d i c a t e t h e p r e s e n c e o f a d e f i n i t e s t r e n g t h g a i n . F u r t h e r s t u d y ( L a w 1 9 7 9 ) showed t h a t t h e l a c k o f v a n e s t r e n g t h i n c r e a s e 1s c a u s e d b y i n s i g n i f i c a n t c h a n g e i n t h e e f f e c t i v e h o r i z o n t a l s t r e s s u n d e r t h e f i l l . The u s e o f t h e v a n e s t r e n g t h , t h e r e f o r e , s h o u l d b e c a u t i o n e d f o r s u c h a p p l i c a t i o n s . F o r s t a g e c o n s t r u c t i o n t o b e f e a s i b l e , t h e f i r s t s t a g e l o a d i n g s h o u l d b e a s h i g h a s p o s s i b l e w i t h o u t i n d u c i n g f a i l u r e . The h i g h s t r e s s c a u s e s a p p r e c i a b l e c o n s o l i d a t i o n i n t h e s u b s o i l , c h a n g i n g t h e s t a t e o f t h e c l a y s o i l f r o m l i g h t l y o v e r c o n s o l i d a t e d t o n o r m a l l y c o n s o l i d a t e d . I n t h e p r o c e s s , t h e c l a y s t r u c t u r e i s d e s t r o y e d . C o n s e q u e n t l y , t h e e f f e c t s on s t r e n g t h d u e t o s t r a i n r a t e , a n i s o t r o p y a n d p r o g r e s s i v e f a i l u r e a r e r e d u c e d . The u s e o f B j e r r u m ' s c o r r e c t i o n f a c t o r p i s , t h e r e f o r e , n o l o n g e r a p p l i c a b l e i n t h i s s i t u a t i o n . A s i m i l a r message was e c h o e d b y T a v e n a s e t a1 ( 1 9 7 8 ) . p r e s s u r e c o n d i t i o n s a n d s t r e n g t h p a r a m e t e r s . When a l l t h r e e a s p e c t s a r e c o r r e c t l y e v a l u a t e d , t h e m e t h o d p r o d u c e s a s a f e t y f a c t o r v e r y c l o s e t o 1.0 f o r f a i l e d s l o p e s . The d e t e r m i n a t i o n o f g e o m e t r y o f a f a i l e d s l o p e o f t e n m e e t s w i t h t w o p r o b l e m s . F i r s t , t h e r e i s g e n e r a l l y n o p r e c i s e m e a s u r e m e n t o f t h e s l o p e g e o m e t r y p r i o r t o f a i l u r e . N o r m a l l y , t h e g e o m e t r y i s a p p r o x i m a t e l y e s t i m a t e d b y means o f t o p o g r a p h i c a l maps o r a i r p h o t o s ( C r a w f o r d a n d Eden 1 9 6 7 ) . The a c c u r a c y f o r s u c h m e t h o d s i s a b o u t i 1 . 0 m. I n r a r e o c c a s i o n s , p r e c i s e m e a s u r e m e n t s w e r e made b e f o r e t h e f a i l u r e s ( L e f e b v r e a n d L a R o c h e l l e 1 9 7 4 ) . S e c o n d l y , many f a i l u r e s a r e r e t r o g r e s s i v e , r e s u l t i n g i n a f i n a l f a i l u r e s u r f a c e b e i n g v e r y d i f f e r e n t f r o m t h e i n i t i a l s l i d e t h a t t r i g g e r s t h e r e t r o g r e s s i o n . I n o r d e r t o d e t e r m i n e t h e i n i t i a l s l i d e g e o m e t r y f o r a n a l y s i s . K e n n e y a n d A l i ( 1 9 6 8 ) s u g g e s t e d a m e t h o d b a s e d o n k i n e m a t i c s r e s t r i c t i o n s . The m a g n i t u d e o f p o r e p r e s s u r e f o r s t a b i l i t y a n a l y s i s i s u s u a l l y e x p r e s s e d b y . r u ( 8 i s h o p a n d M o r g e n s t e r n 1 9 6 0 ) w h e r e r,, = r a t i o o f p o r e p r e s s u r e t o t h e v e r t i c a l Y t o t a l p r e s s u r e . v e r y f e w s l o p e s h a v e b e e n m o n i t o r e d f o r r U New g u i d e l i n e s f o r e s t i m a t i n g s t r e n g t h b a s e d v a l u e s p r i o r t o f a i l u r e ( L e f e b v r e and L a o n t h e f i e l d v a n e d e v i c e h a v e b e e n p r o p o s e d f o r u s e u n d e r e x i s t i n g f i l l s (Law, 1 9 8 5 ) . R o c h e l l e 1 9 7 4 ) . The a s s u m p t i o n o f t h e w o r s t T h e s e g u i d e 1 i n e s h a v e b e e n d e r i v e d f r o m c o n d i t i o n o f r u = 0.62 h a s b e e n made i n a s t u d y i n g c a s e h i s t o r i e s a n d l a b o r a t o r y n u m b e r o f c a s e s ( C r a w f o r d d n d Eden 1 9 6 7 , E d e n t r i a x i a l - v a n e t e s t s a n d a r e s u m m a r i z e d i n t h e a n d M i t c h e l l 1 g 7 0 ) . T h i s a s s u m p t i o n f 01 1 o w i n g : c o r r e s p o n d s t o a g r o u n d w a t e r f l o w r e g i m e i n t h e h o r i z o n t a l d i r e c t i o n w i t h t h e w a t e r t a b l e ( 1 ) The f i e l d v a n e t e s t i s n o t s u i t a b l e f o r n a r r o w f i r s t s t a g e f i l l , w i t h 8/H
