Consolidation of clay slurry under very low stresses : from novel oedometer apparatus invention to nonlinear consolidation characteristics and finite strain modelling

Abstract

This study first invents a novel oedometer apparatus for clay slurry, featuring a lightweight acrylic loading cap, a noncontact laser displacement sensor, and a 1:1 dead-weight loading system to improve traditional consolidation devices. The novel apparatus is then used to examine two clays: Hong Kong Marine Deposit and Kaolin clay. The loading with a minimum stress of 0.025 kPa is applied on samples with a maximum initial water content exceeding 9 times the liquid limit. Results demonstrate the “S” shape compression curves influenced by initial water contents, and the power-type relationships between permeability coefficient and void ratio. Empirical equations are obtained to determine the yield stress point based on initial water content and liquid limit. Higher initial water contents increase compression parameters (e.g., recompression index, Cr; compression index, Cc; and creep index, Cα), though Cr/Cc and Cα/Cc are almost in the normal range. The Cc of Kaolin clay with initial water contents above 3.5 times the liquid limit is significantly relevant to effective stress. Finally, a nonlinear creep model is enhanced and integrated into the finite strain consolidation equations, effectively simulating the oedometer tests and a self-weight consolidation test of clay slurry with nonlinear consolidation characteristics. Cette étude présente d’abord l’invention d’un nouvel appareil œdométrique pour les boues argileuses, doté d’un capuchonde chargement en acrylique léger, d’un capteur de déplacement laser sans contact et d’un système de chargement à poidsmort 1:1, afin d’améliorer les dispositifs de consolidation traditionnels. Le nouvel appareil est ensuite utilisé pour étudierdeux types d’argile : le dépôt marin de Hong Kong et l’argile kaolinique. Un chargement avec une contrainte minimale de0,025 kPa est appliqué sur des échantillons dont la teneur en eau initiale maximale dépasse 9 fois la limite de liquidité. Lesrésultats démontrent que les courbes de compression en forme de “S” sont influencées par les teneurs en eau initiales, ainsi quel’existence de relations de type puissance entre le coefficient de perméabilité et le taux de vides. Des équations empiriques sontobtenues pour déterminer la limite d’élasticité en fonction de la teneur en eau initiale et de la limite de liquidité. Des teneursen eau initiales plus élevées augmentent les paramètres de compression (par exemple, l’indice de recompression, Cr ; l’indicede compression, Cc ; et l’indice de fluage, Cα ), bien que les rapports Cr /C c et Cα /C c se situent presque dans la plage normale. Le Ccde l’argile kaolinique avec des teneurs en eau initiales supérieures à 3,5 fois la limite de liquidité est significativement influencépar la contrainte effective. Enfin, un modèle de fluage non linéaire est amélioré et intégré aux équations de consolidation àdéformation finie, simulant efficacement les essais à l’œdomètre ainsi qu’un essai de consolidation à poids propre d’une boueargileuse présentant des caractéristiques de consolidation non linéaires.