Stress-strain Response of an Unsaturated Volcanic Ash Soil From Colombia

Technische Samenvatting: Spanning-rekrespons van een onverzadigde vulkanische asbodem uit Colombia

Probleemstelling
Uit vulkanische as afgeleide bodems (Andisols) zijn wijdverspreid in de Andesregio's van Colombia en vormen zij de basis voor belangrijke stedelijke en industriële infrastructuur. Ondanks hun brede aanwezigheid, vertonen deze residuele bodems unieke geotechnische uitdagingen vanwege hun unieke mineralogie (gedomineerd door allofaan en imogoliet), hoge plasticiteit, hoge porositeit en gevoeligheid voor variaties in watergehalte. Deze kenmerken leiden vaak tot hellingsinstabiliteit en scheurvorming in bewoonde gebieden. Hoewel de invloed van zuiging (suction) en cementatie op de afschuifweerstand erkend wordt, blijft er een kenniskloof bestaan over hoe specifieke variaties in watergehalte en hercompactieprocessen (recompactie) de spanning-rekrespons beïnvloeden, met name met betrekking tot de afschuifsterkteparameters ($c'$ en $\phi'$) en de afschuifmodulus ($G$).

Methodologie
De studie maakte gebruik van een uit vulkanische as afgeleide bodem verzameld in Manizales, Colombia, geclassificeerd als een hoog-plastische silt (MH) met een vloeigrens van 74% en een plasticiteitsindex van 37%. Het onderzoek maakte gebruik van Directe Eenvoudige Afschuifproeven (Direct Simple Shear - DSS) om het mechanische gedrag onder variërende omstandigheden te evalueren.

Het experimentele programma omvatte 12 tests met de volgende variabelen:

• Voorbereidingsprocedures: Twee verschillende compactiegeschiedenissen werden vergeleken:
  • Enkelvoudige Compactie (SC): Materiaal dat eenmaal is gecompacteerd bij het optimale watergehalte na luchtdroging.
  • Dubbele Compactie (DC): Materiaal dat vooraf is gecompacteerd, luchtdroog is gemaakt, is gedisaggregeerd en opnieuw is gecompacteerd (simulatie van een hercompactieproces).
• Hydraulische Staten: Monsters werden getest onder drie initiële watergehaltecondities:
  • Optimaal watergehalte ($w_{opt}$).
  • Luchtdroog gedurende drie dagen na compactie ($w_{dry}$).
  • Verzadigd na compactie ($w_{sat}$).
• Spanningsniveaus: De tests werden uitgevoerd onder effectieve normale spanningen van 50, 100 en 200 kPa.
• Karakterisering: De studie omvatte mineralogische analyse (SEM, EDS), korrelgrootteverdeling (laserdiffractie en hydrometer) en de bepaling van de bodemwaterretentiecurve (SWRC).

Belangrijkste Resultaten

1. Effect van Hercompactie (DC versus SC):

   • Het dubbele compactieproces induceerde onomkeerbare structurele veranderingen, wat resulteerde in een hogere maximale droge volumegewicht ($\gamma_d$ van 11,4 kN/m³ versus 10,5 kN/m³) en een lager optimaal watergehalte vergeleken met enkelvoudige compactie.
   • DC-monsters vertoonden een significant hogere afschuifsterkte, waarbij de effectieve cohesie ($c'$) toenam van 37,2 kPa (SC) naar 73,4 kPa (DC) en de wrijvingshoek ($\phi'$) steeg van 25,7° naar 30,6°.
   • DC-monsters vertoonden dilatant gedrag (axiale expansie) tijdens het afschuiven bij 100 kPa, wat karakteristiek is voor overgeconsolideerde bodems, terwijl SC-monsters over het algemeen compressief gedrag vertoonden.
   • De secante afschuifmodulus ($G$) was consistent hoger voor DC-monsters over alle spanningsniveaus.

2. Invloed van Watergehalte en Zuiging:

   • Lage Confinement (50 kPa): Variaties in watergehalte (en daarmee de zuiging) hadden een verwaarloosbaar effect op de afschuifsterkte en de afschuifmodulus.
   • Hoge Confinement (100 en 200 kPa): Een substantiële toename in afschuifsterkte en afschuifmodulus werd waargenomen naarmate het watergehalte afnam (en de zuiging toenam). Dit bevestigt dat matric zuiging fungeert als een kritieke toestandvariabele die bijdraagt aan de effectieve spanning bij hogere spanningsniveaus.
   • Volumetrische Respons: Verzadigde monsters vertoonden compressief gedrag, vergelijkbaar met normaal geconsolideerde bodems. Daarentegen vertoonden onverzadigde monsters (optimaal en luchtdroog) dilatante tendensen bij 100 kPa door capillaire krachten. Echter, bij 200 kPa onderdrukte de confinement de dilatatie in de optimale monsters, waardoor ze terugkeerden naar een compressieve respons.

3. Mineralogische en Fysische Karakterisering:

   • SEM- en EDS-analyses bevestigden de aanwezigheid van halloysiet (cilindrische tubulaire morfologie) en suggereerden de aanwezigheid van allofaan en imogoliet.
   • De korrelgrootteverdeling analyse toonde aan dat het drogen leidt tot de aggregatie van primaire deeltjes in stabiele, grovere clusters. Laserdiffractie toonde een geaggregeerde distributie, terwijl de hydrometer-methode (met dispersanten) kleinere deeltjesgroottes liet zien, wat de techniekgevoelige aard van het meten van deze bodems benadrukt.

Betekenis en Conclusies
De studie concludeert dat het mechanische gedrag van vulkanische asbodems fundamenteel wordt bepaald door zowel hun compactiegeschiedenis als hun initiële hydraulische staat.

• Structurele Gevoeligheid: De onomkeerbare instorting van allofaan- en imogolietstructuren bij het drogen leidt tot permanente veranderingen in de textuur, wat de droge dichtheid en afschuifsterkte bij hercompactie aanzienlijk verhoogt.
• Afhankelijkheid van Zuiging: De bijdrage van matric zuiging aan afschuifsterkte en stijfheid is afhankelijk van de confinement. Hoewel verwaarloosbaar bij lage spanningen, verhoogt zuiging de stabiliteit drastisch bij hogere spanningsniveaus.
• Implicaties voor Stabiliteit: De bevindingen onderstrepen het kritieke risico dat wordt gevormd door regenval-geïnduceerde verzadiging. De eliminatie van zuiging in deze afzettingen triggert een overgang van dilatant naar compressief gedrag en een verlies van sterkte, wat een mechanische verklaring biedt voor de hoge gevoeligheid van deze materialen voor hellingsinstabiliteit en modderstromen in tropische omgevingen.

De auteurs benadrukken dat stabiliteitsanalyses voor aardconstructies met deze materialen rekening moeten houden met de specifieke hydraulische staat en de compactiegeschiedenis van de bodem, aangezien deze factoren de effectieve cohesie, wrijvingshoek en volumetrische respons dicteren.