Residual strength of clays in landslides, folded strata and the laboratory

Abstract

The post-peak drop in drained shear strength of an overconsolidated clay may be considered as taking place in two stages. First, at relatively small displacements, the strength decreases to the ‘fully softened’ or ‘critical state’ value, owing to an increase in water content (dilatancy). Second, after much larger displacements, the strength falls to the residual value, owing to reorientation of platy clay minerals parallel to the direction of shearing. If the clay fraction is less than about 25% the second stage scarcely comes into operation; the clay behaves much like a sand or silt with angles of residual shearing resistance typically greater than 20°. Conversely, when the clay fraction is about 50%, residual strength is controlled almost entirely by sliding friction of the clay minerals, and further increase in clay fraction has little effect. The angles of residual shearing resistance of the three most commonly occurring clay minerals are approximately 15° for kaolinite, 10° for illite or clay mica and 5° for montmorillonite. When the clay fraction lies between 25% and 50% there is a ‘transitional’ type of behaviour, residual strength being dependent on the percentage of clay particles as well as on their nature. The post-peak drop in strength of a normally-consolidated clay is due only to particle reorientation. Measurements of strength on natural shear surfaces agree, within practical limits of variation, with values derived from back analysis of reactivated landslides. This ‘field residual’ strength can be recovered by multiple reversal shear box tests on cut-plane samples, but in high clay fraction materials it is typically somewhat higher than the strength measured in ring shear tests. Residual strength is little affected by variation in the slow rates of displacement encountered in reactivated landslides and in the usual laboratory tests, but at rates faster than about 100mm/min qualitative changes take place in the pattern of behaviour. A substantial gain in strength is followed, with increasing displacement, by a fall to a minimum value. In clays and low clay fraction silts this minimum is not less than the ‘slow’ or ‘static’ residual, but in clayey silts (with clay fractions around 15–25% according to tests currently in progress) the minimum can be as low as one-half of the static value. On peut admettre que la chute qui suit la valeur de pic dans la résistance au cisaillement dans l'état drainé d'une argile surconsolidée a lieu en deux étapes. Tout d'abord, pour des déplacements relativement petits, la résistance decroît jusqu'à la valeur correspondant à l'état critique, à cause d'une augmentation de la teneur en eau (dilatance). Puis, après des déplacements beaucoup plus considérables, la résistance tombe à la valeur résiduelle, à cause de la réorientation des minéraux d'argile en forme de feuillets parallèles à la direction du cisaillement. Si la fraction d'argile est inférieure à environ de 25% la deuxième étape apparaît rarement et l'argile se comporte à peu près comme du sable ou du limon avec des angles de résistance résiduelle au cisaillement typiquement supérieurs à 20°. Inversement, avec une fraction d'argile d'environ 50% la résistance résiduelle est régie presqu'entièrement par le frottement glissant des minéraux argileux et une augmentation ultérieure de la fraction d'argile n'a que très peu d'effet. Les angles de résistance résiduelle au cisaillement des trois minéraux argileux les plus souvent trouvés sont approximativement 15° pour la kaolinite, 10° pour l'illite ou l'argile micacée et 5° pour le montmorillonite. Lorsque la fraction d'argile est comprise entre 25% et 50% il y a un type pour ainsi dire transitoire de comportement, puisque la résistance résiduelle dépend du pourcentage de particules d'argile aussi bien que de leur nature. La chute de résistance qui suit la valeur de pic est due exclusivement à la réorientation des particules. Dans les limites pratiques de variation les mesures de la résistance effectuées sur des surfaces naturelles de cisaillement s'accordent avec les valeurs obtenues à partir de l'analyse a posterioride glissements de terrains réactivés. Cette résistance résiduelle in situ peut être retrouvée par des essais de boîte de cisaillement alternatifs multiples effectués sur des échantillons à plans coupés; mais dans des matériaux ayant une grande fraction d'argile elle est typiquement un peu supérieure à la résistance mesurée à l'aide d'appareils de cisaillement circulaire par torsion. La résistance résiduelle n'est que légèrement affectée par des variations dans les vitesses lentes de déplacement qu'on trouve dans les glissements de terrains réactivés et dans les essais habituels de laboratoire, mais à des vitesses supérieures à environ 100 mm/min des changements qualitatifs ont lieu dans la forme du comportement. Un gain appréciable de résistance est suivi, au fur et à mesure que le déplacement augmente, par une chute à la valeur minimale. Dans les argiles et les limons à basse fraction d'argile ce minimum n'est pas inférieur à la valeur résiduelle lente ou statique, mais dans les limons argileux, avec des fractions d'argile d'environ 15–25% selon des essais en cours actuellement le minimum peut être aussi bas que la moitié de la valeur statique.

In-situ measurement of the strength of deforming subglacial till

“…Although the geometry of the test cell limited the shearing displacement to about 80 mm, the samples contained no clay and were normally consolidated. Under these conditions, there is generally no post-peak reduction in strength observed in experiments carried out to large strains (Lambe and Whitman, 1969;Skempton, 1985).…”

“…After shearing disp1acements that vary from several millimeters to several meters, the sediment volume and friction angle become steady (e.g. Skempton, 1985). At this point, the sediment is said to have reached its residual state and to have a residual friction angle, <Pr.…”

“…For example, for sediment that contains less than 25% clay, 4>r should typically be greater than 20° (Skempton, 1985). A better alternative is to measure <Pr in laboratory tests.…”

Displacement field in contraction‐driven faults

“…The decrease in friction angle from the peak to the residual r is strongly related with mineralogy: r in kaonite > illinte > montmorrilonite. Furthermore, the volume fraction of platy clay particles must exceed 10∼15% for a significant strain softening behavior to develop [Kenney, 1959;Olson, 1974;Lupini et al, 1981;Skempton, 1985;Mesri and Cepeda-Diaz, 1986]. The effect of the residual friction on the displacement field, the magnitude of the normalized throw, and the volumetric strain is reported in Figures 5b, 6a and 6c.…”

Subaerial Landslide-Generated Waves: Numerical and Laboratory Simulations

“…Cohesion may play an important role in the landslide triggering mechanism. Although, the cohesive interconnects between the slide grains gradually fail as it starts its movement such that cohesion almost disappears within the collapsed parts of the sliding mass, even for clay-rich soils (Skempton 1964(Skempton , 1985. Therefore, as it is also demonstrated by Iverson and Vallance (2001), the cohesion-less Coulomb law applied in 2LCMFlow model is an optimal choice for describing the dynamic behaviour of the granular type flows.…”