Limitations to the Use of Effective Stresses in Partly Saturated Soils

Abstract

Synopsis Terzaghi's effective stress principle may be stated in the form of two propositions:— (i) Changes in volume and shearing strength of a soil are due exclusively to changes in effective stress. (ii> The effective stress σ′ in a soil is defined as the excess of the total applied stress σ over the pore pressure u. The validity of this principle for fully saturated soils is now well established and has proved invaluable in the prediction of the behaviour of such soils. In recent years workers have attempted to extend the principle to cover the case of partly saturated soils and to date most of this work has been concerned with deriving a suitable form of effective stress equation, Up till now the validity of the first proposition, upon which the main practical significance of the effective stress principle relies, does not appear to have been questioned. In this Paper the results of a series of oedometer and all-round compression tests on partly saturated and fully saturated soils are presented. The soils used range from a silty sand to a silty clay. The results, together with additional experimental data derived mainly from oedometer tests on wind-blown sands and expansive clays, indicate that most soils, from sands right thorugh to clays exhibit behaviour which, below a critical degree of saturation, cannot be accounted for purely on the basis of effective stress changes. In sands the critical degree of saturation is below 50%. In clays, however, the critical degree of saturation appears to be as high as 90%. An explanation for the observed behaviour of partly saturated soils is offered. It is suggested that the structural changes resulting from a change of pressure deficiency in a soil are very different from those resulting from an equivalent change in applied stress. Although the experimental work described in the Paper is confined mainly to considerations of volume change the conclusions drawn apply equally well to shear strength. The practical significance of the results of the invetigation are discussed briefly. Le principe de tension effective de Terzaghi peut s'énoneer sous la forme de deux propositions:— (i) Les changements en volume et en effort de cisaillement d'un sol sont dûs exclusive-ment aux changement de tension effective. (ii) La tension effective σ′ dans un sol est déterminée d'après l'excédent de la tension appliqué totale σ sur la pression interstitielle u. La validité du principe pour des sols compléte-ment saturés est maintenant bien établie et s'est montrée inestimable pour la prédiction de la manière dont ces sols se comportent. Ces dernières années des chercheurs ont essayé de développer ce principe pour qu'il comprenne la cas des sols partiellement saturés et jusqu'à présent la plupart de ce travail a eu pour but de développer une forme convenable d'équation de la première proposition, sur laquelle se base la principale signification pratique du principe de tension effective, ne semble pas avoir été mise en doute. Dans cet article on présente les résultats d'un série d'essais œ dométrique et d'essais complets de compression sur des sols partiellement saturés et complètement saturés. Les sols employés varient du sable limoneux à l'argile limoneuse. Les résul-tats, avec aussi les renseignements expérimentaux additionnels derivés principalement des essais œdométriques sur des sables éoliens et des argiles expansibles, indiquent que la plupart des sols, depuis les sables jusqu'aux argiles montrent qu'ils se comportent, au dessous d'un degré critifque de saturation, d'une manière qui ne peut pas s'expliquer simplement sur la base des changments de tension effective. Pour les sables le degré critique de saturation est inférieur à 50%. Per contre pour les argiles le degré critique de saturation semble atteindre 90%. On donne une explication sur la manière dont se comporte les sols partiellement saturés qui ont été observés. On suggère que les changements de structure résultant d'un changement de manque de pression dans un sol sont très différents de ceux qui résultent d'un changement équivalent dans la tension appliqueée. Malgré que le travail expéri-mental décrit dans l'article soit limité principalement aux considérations de changement de volume les conclusions tirées s'appliquent aussi bien à la résistance au cisaillement. On expose une brève discussion de la signification pratique des résultats de l'enquête.

Thermo-hydro-mechanical coupling in clay barriers

“…Experimental investigations (Jennings and Burland, 1962) have shown that it may depend on the saturation S r,w but there is non-unique relation v À S r,w for a given soil sample with different void ratios.…”

Constitutive model for partially saturated soils

“…Also, the compression curves, once the wetting is completed, follow a unique path for saturated conditions (path DF after wetting 2 follows the saturated compression curve BDF). Experimental results which favour this uniqueness have been reported by Jennings and Burland (1962) and Blight (1965) for collapsing sands, by Erol and El-Ruwaih (1982) testing loess and by Maswoswe (1985) in the case of a low plasticity sandy clay.…”

Effect of Pore-Water Surface Tension on Tensile Strength of Unsaturated Sand

“…Second, it is believed that combining macroscopic and microscopic stresses into a single equation is incorrect (Burland 1965). Finally, it was shown that on wetting (i.e., reducing suction), unsaturated soil samples collapsed during consolidation tests (Jennings and Burland 1962). Based on Equation (2-22), the effective stress should decrease on reducing the suction and unsaturated soil samples should have expanded.…”