Prediction of Expansive Soil Volumetric Change Behavior subject to Long-term Climate Data

ABSTRACT: The volume change behavior of expansive soils in response to climate cycles result in shrinkage and swelling of soils that can cause severe structural damage, especially to lightweight structures. Hence, prediction of expansive soil deformation behavior considering soil-atmosphere interaction is valuable to geotechnical engineers. In this study, a finite element model that couples variably-saturated flow and stress-strain analysis is used to simulate the volume change behavior of expansive clay subject to long-term climate data. The finite element model utilizes suction stress-based effective stress to calculate the effective stress field. Moreover, the model equipped with a power law equation to incorporate the dependency of soil modulus on volumetric water content of soil. The developed numerical model was validated against a benchmark problem in which a layer of Regina expansive clay is subjected to a constant infiltration rate. The obtained results indicate the capability of the proposed model in simulation of expansive soil deformations subject to varying moisture conditions over time.

RÉSUMÉ: Le comportement de changement de volume des sols expansifs en réponse aux cycles climatiques entraîne un rétrécissement et un gonflement des sols qui peuvent causer de graves dommages structurels, en particulier aux structures légères. Par conséquent, la prédiction du comportement de déformation du sol expansif en tenant compte de l’interaction sol-atmosphère est précieuse pour les ingénieurs géotechniques. Dans cette étude, un modèle par éléments finis qui couple l’analyse de l’écoulement et de la contrainte-déformation saturés de manière variable est utilisé pour simuler le comportement de changement de volume de l’argile expansive soumise à des données climatiques à long terme. Le modèle par éléments finis utilise une contrainte efficace basée sur la contrainte d’aspiration pour calculer le champ de contrainte effective. De plus, le modèle était équipé d’une équation de loi de puissance pour incorporer la dépendance du module du sol sur la teneur en eau volumétrique du sol. Le modèle numérique développé a été validé par rapport à un problème de référence dans lequel une couche d’argile expansive de Regina est soumise à un taux d’infiltration constant. Les résultats obtenus indiquent la capacité du modèle proposé à simuler des déformations expansives du sol sujettes à des conditions d’humidité variables au fil du temps.