The prediction of one-, two-, and three-dimensional heave in expansive soils

Hung Q Vu, Delwyn G Fredlund
2004 Canadian geotechnical journal (Print)  
The prediction of heave in unsaturated, expansive soils has historically been studied primarily as a onedimensional type analysis. This paper proposes a methodology that can be used for the prediction of one-, two-, or three-dimensional heave. It is suggested that negative pore-water pressures (i.e., soil suctions) can be estimated through a saturated-unsaturated seepage analysis. The results of the seepage analysis are then used as input for the prediction of displacements in a
more » ... n a stress-deformation analysis. The formulation of the governing partial differential equations for both seepage and stress-deformation is based on the general theory of unsaturated soils using two independent stress state variables. The elasticity parameter functions required for a stress-deformation analysis can be calculated from various tests, including conventional one-dimensional oedometer tests. The proposed method is studied and tested against data collected on a case history involving a slab-on-ground floor on Regina clay. The predicted results from the twodimensional analysis agree well with the measured data in terms of both total vertical displacements and final water contents in the soil. The results of a parametric study are also presented to show the effect of measured soil parameters (i.e., swelling index and initial void ratio) and assumed parameters (i.e., Poisson's ratio and coefficient of earth pressure at rest) on the predicted displacements. Résumé : La prédiction du soulèvement dans les sols gonflants non saturés a été étudiée par le passé principalement au moyen d'une analyse de type unidimensionnel. Cet article propose une méthodologie qui peut être utilisée pour la prédiction de soulèvement uni, bi, ou tridimensionnel. On suggère que les pressions interstitielles négatives (i.e., succions du sol) peuvent être évaluées au moyen d'une analyse d'infiltration saturée-non saturée. Les résultats de l'analyse d'infiltration sont alors utilisés comme entrée pour la prédiction des déplacements dans une analyse contraintedéformation. La formulation des équations différentielles partielles de base pour l'infiltration de même que pour la contrainte-déformation est fondée sur la théorie générale des sols non saturés en utilisant deux variables indépendantes d'état de contrainte. Les fonctions paramétriques d'élasticité requises pour une analyse de contrainte-déformation peuvent être calculées en partant de divers essais, incluant les résultats d'essais oedométriques unidimensionnels conventionnels. La méthode proposée a été étudiée et testée avec les données colligées lors d'une histoire de cas impliquant une dalle de plancher reposant sur l'argile de Regina. Les résultats prédits au moyen de l'analyse bidimensionnelle concordent bien avec les données mesurées en termes de déplacements verticaux totaux de même que de teneurs en eau finales dans le sol. On présente également les résultats d'une étude paramétrique pour démontrer l'effet sur les déplacements prédits des paramètres de sol mesurés (i.e., indice de gonflement et indice de vide initial) et des paramètres supposés (i.e., rapport de Poisson et coefficient de pression des terres au repos). Fig. 4. Constitutive surfaces for (a) soil structure and (b) water phase of an unsaturated, swelling soil.
doi:10.1139/t04-023 fatcat:45q2twrybrhvvp2wenfhk7zc6e