Development of semi-physically based model to predict erosion rate of kaolinite clay under different moisture content

Abstract

Understanding the susceptibility of soils to concentrated flow erosion is imperative for predicting sustainability of various engineering structures and assessing environmental integrity. Currently, a widely used model is empirical in nature. In this study, we developed a semi-physically based model that predicts the rate of concentrated flow erosion of kaolinite clay based on tensile and erodibility characteristics. To develop this model, direct tensile tests and jet erosion tests (JETs) were performed on kaolinite clay with different percent moisture contents (MCs). The direct tensile test results showed that the energy required to break interparticle bonds across a fracture plane and tensile strength decreases with an increase in MC, whereas the JET results showed that soil resistance to erosion decreases with an increase in MC. Results also showed that an efficiency index of the JET apparatus, which represents the fraction of jet power used in actual erosion processes, diminishes with a decrease in MC. This semi-physically based model predicted the rate of erosion of kaolinite clay for a range of MC and applied hydraulic shear stress. In model development and verification, 98% and 90% of the data, respectively, were within a discrepancy ratio of 0.50 and 2.0.Résumé : La compréhension de la susceptibilité des sols à l'érosion par écoulement concentré est essentielle pour prédire la durabilité de diverses structures d'ingénierie et pour évaluer l'intégrité environnementale. Présentement, un modèle largement utilisé est de nature empirique. Dans cette étude, nous avons développé un modèle semi-physique qui prédit le taux d'érosion par écoulement concentré d'une argile kaolinite basé sur des caractéristiques en tension et en érosion. Pour développer ce modèle, des essais en tension directe et des essais d'érosion en jet (JET) ont été réalisés sur l'argile kaolinite ayant différents contenus en humidité (CH). Les résultats des essais en tension directe ont démontré que l'énergie nécessaire pour briser les liens interparticules à travers un plan de rupture et la résistance en tension diminuent avec une augmentation du CH, tandis que les résultats JET ont démontré que la résistance du sol à l'érosion diminue avec une augmentation du CH. Les résultats ont aussi illustré qu'un indice d'efficacité de l'appareil JET, qui représente la fraction de la puissance du jet utilisé dans les processus d'érosion, diminue avec une diminution du CH. Ce modèle semi-physique a prédit le taux d'érosion de l'argile kaolinite pour une gamme de CH et de contraintes de cisaillement hydrauliques appliquées. Lors du développement et de la vérification du modèle, 98 et 90 % des données, respectivement, étaient à l'intérieur d'un indice de divergence de 0,50 et 2,0. [Traduit par la Rédaction] Mots-clés : érosion par écoulement concentré, modèle semi-physique, résistance en tension, contenu en humidité, sols cohésifs, argile kaolinite.

A novel analytical model for determining erosion from hole erosion tests

“…This result supports the opinion that the generated pore water pressure from a high hydraulic gradient would be dissipated attributed to the enlargement of the soil pipe (Hicher 2013;Ouyang and Takahashi 2016). Hydraulic non-equilibrium within soil pipes would be exhausted by soil erosion and the hydraulic potential energy would be diminished during the process of sediment detachment and transport (Wilson et al 2009;Sang et al 2015;Nguyen and Indraratna 2020).…”

“…Bonelli and Brivois (2008) found that the radial erosion propagation under the given pressure drop obeyed a scale exponential law. Sang et al (2015) developed semi-physically models for predicting the enlargement of the hole in the HET. The mechanism of progressive internal erosion leading to instability of the structure was interpreted and modelled by Onate et al (2011) andHicher (2013).…”

Influence of Lead Pollution on Cohesive Soil Erodibility using Jet Erosion Tests

“…Several researchers (Hanson, 2001;Wynn and Mostaghimi, 2006;Hanson and Hunt, 2007;Wynn et al, 2008;Regazzoni et al, 2008;Sang et al, 2015) have studied the influence of soil properties on soil erodibility, such as soil texture, soil moisture, bulk density, soil compaction, soil chemical, and vegetation. No studies or researches till now studied the influence of Lead pollution on the soil erodibility.…”