Modelling the dependency of the soil-water retention behavior on the initial void ratio in unsaturated soils

ABSTRACT: The soil–water retention curves (SWRC) of soil play a key role in unsaturated soil mechanics, which have wide applications particularly in geotechnical and geo-environmental engineering. SWRCs express the ability of unsaturated soils to retain water at different negative pore-water pressure levels. The common approach in approximating the SWRCs is to use empirical mathematical models that cannot distinguish the physical mechanisms responsible for the hydraulic retention behavior. In addition, the SWRCs are strongly dependent on the variation of void ratio during both hydraulic loading such as the infiltration and evaporation or the mechanical volume change or shearing. This paper presents a modified water-retention model that not only distinguish the physical mechanisms of hydraulic retention, i.e., the capillarity and surface adsorption but also accounts the initial void ratio dependency of this phenomenon. The validity of this model is examined through an array of experimental data obtained at Université de Sherbrooke in addition to datasets collected from literature. The results indicate the soil-water retention model presents a more realistic prediction of hydraulic retention which has important consequences for the interpretation of stress-strain behavior and the numerical modelling of coupled flow-deformation problems in unsaturated state.

RÉSUMÉ: Les courbes de rétention sol-eau des sols jouent un rôle clé dans la mécanique des sols non saturés, qui ont de vastes applications notamment en géotechnique et en génie géo-environnemental. Ces courbes expriment la capacité des sols non saturés à retenir l'eau à différents niveaux de pression interstitielle négative. Pour approximer, l'approche courante consiste à utiliser des modèles mathématiques empiriques qui ne permettent pas de distinguer les mécanismes physiques responsables du comportement de rétention hydraulique. De plus, ces courbes sont fortement dépendants de la variation de l'indice des vides pendant le chargement hydraulique comme l'infiltration et l'évaporation ou la déformation volumique due au chargement mécanique et le cisaillement. Dans cet article, on présente un modèle modifié de rétention d'eau qui non seulement distingue les mécanismes physiques de la rétention hydraulique, c'est-à-dire la capillarité et l'adsorption superficielle, mais qui tient également compte la dépendance de ce phénomène à l'indice des vides initiale. La validité de ce modèle est examinée en utilisant les données expérimentales obtenues à l'Université de Sherbrooke ainsi que des ensembles de données provenant de la littérature. Les résultats indiquent que le modèle de rétention sol-eau présente une prédiction plus réaliste de la rétention hydraulique, ce qui a des conséquences importantes pour l'interprétation du comportement mécanique et pour la modélisation numérique des problèmes liés à l'écoulement et à la déformation en état non saturé.