Laboratory Characterization of Internal Stability of Granular Filters under Static and Cyclic Loading

Jahanzaib Israr

In the proceedings of: GeoVancouver 2016: 69th Canadian Geotechnical Conference

Session: SOIL AND TERRAIN CHARACTERIZATION - I Geotechnical Laboratory Testing

ABSTRACT: An experimental program has been undertaken to investigate the hydraulic characteristics of granular filters and results are presented. Piping tests were conducted in a modified permeameter apparatus designed to capture the response of soils subjected to simultaneous axial compression (static and cyclic) and upward seepage flow. The apparatus could reliably monitor spatial and temporal variations in average and local hydraulic gradients, effective stresses, porosities, effluent flow rate and turbidity. An internally stable soil characterised by the development of visual heave or similar failure at very high hydraulic pressures, while an unstable soil showed suffusion at relatively smaller hydraulic pressures. At the onset of seepage failure, the local porosity in a critical soil layer increased, while hydraulic gradients and associated effective stresses decreased. During static tests, seepage induced heave and composite heave-piping failures occurred in dense uniform fine gravels and sands, respectively, and suffusion in gap-graded sand-gravel mixture. Under cyclic loading, the uniform soils reproduced similar hydraulic responses albeit at relatively smaller applied hydraulic pressures and larger local hydraulic gradients than static tests. The gap-graded soil exhibited premature suffusion that became excessive at higher cyclic loading frequencies. Cyclic loading induced agitation and transient pore water pressure deteriorate the stable constriction network of soil, thereby allowing residual fines to escape from pore spaces and causing internal instability. The instability potential of tested soils could be quantified using pre- and post-test particle size distribution (PSD) analyses. Results are compared with the assessments of various existing criteria for internal stability and recommendations are made for possible practical implications.

RÉSUMÉ: Un programme expérimental a été entrepris pour étudier les caractéristiques hydrauliques des filtres granulaires et les résultats sont présentés. tests de tuyauterie sont conduits dans un appareil de perméamètre modifié conçu pour capturer la réponse des sols soumis à une compression simultanée axiale (statique et cyclique) et le débit d'infiltration vers le haut. L'appareil pourrait surveiller de manière fiable les variations spatiales et temporelles des gradients hydrauliques moyennes et locales, contraintes effectives, porosités, débit de l'effluent et de la turbidité. Un sol interne stable caractérisée par le développement de pilonnement visuel ou échec similaire à des pressions hydrauliques très élevées, tandis qu'un sol instable a montré suffusion à des pressions hydrauliques relativement plus petites. Au début de l'échec d'infiltration, la porosité locale dans une couche de sol critique a augmenté, tandis que les gradients hydrauliques et contraintes effectives associées ont diminué. Lors des essais statiques, l'infiltration induite par le soulèvement et les échecs pilonnement-canalisations composites se sont produits dans uniformes graviers et sables fins denses, respectivement, et suffusion dans un mélange de sable et de gravier à granulométrie discontinue. Sous chargement cyclique, les sols uniformes reproduit les réponses hydrauliques similaires quoique à des pressions hydrauliques appliquées relativement plus petites et les gradients hydrauliques locaux plus grands que les essais statiques. Le sol de l'écart-graduée exposé suffusion prématurée qui est devenue excessive à des fréquences plus élevées de chargement cycliques. Cyclique chargement agitation induite et de la pression de l'eau interstitielle transitoire détériorent le réseau de constriction stable du sol, permettant ainsi des amendes résiduelles d'échapper à des espaces de pores et provoquer l'instabilité interne. Le potentiel d'instabilité des sols testés pourrait être quantifiée en utilisant la distribution pré et post-test granulométrique (PSD) analyse. Les résultats sont comparés avec les évaluations des différents critères existants pour la stabilité et des recommandations internes sont prises pour conséquences pratiques possibles. 1. INTRODUCTION Granular soils are used as filter materials and drainage layers in various civil infrastructures due to their excellent drainage and load carrying characteristics. As filters though, they are expected to arrest the eroding fine particles without clogging to avoid the development of excess pore water pressure in earth structures. While doing so, a filter should not exhibit washout of their fine particles (i.e. internal instability) due to seepage forces and disturbance induced by severe mechanical loading, e.g. cyclic loads in railway substructures. The occurrence of internal instability could adversely affect the geomechanical characteristics of filters, consequently rendering them ineffective in retaining the protected fine soil, and thereby endangering the structural stability.

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Cite this article:
Jahanzaib Israr (2016) Laboratory Characterization of Internal Stability of Granular Filters under Static and Cyclic Loading in GEO2016. Ottawa, Ontario: Canadian Geotechnical Society.

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