Problems of the structural rheology of clays

Résumé

En mécanique des sols, les relations sont généralement exprimées sous forme d’équations phénoménologiques obtenues à partir de l’étude de processus macroscopiques. Si l’on peut établir une relation entre les processus micro- et macroscopiques, il devient possible de donner une description analytique de la déformation — et, à longterme, de la rupture — des sols, en s’appuyant sur la nature physique de ces phénomènes.

Cet article présente les résultats de recherches effectuées dans cette voie. Les changements de la microstructure des argiles au cours du processus de déformation ont été étudiés au moyen des microscopes optique et électronique; puis on a établi les conséquences de ces changements sur la grandeur de la charge, la durée du processus et la phase de déformation. On a trouvé que le processus de déformation à long-terme des argiles (phénomène de fluage) est accompagné d’un déplacement et d’une réorientation des particules, avec formation de microfissures, ce qui conduit à une diminution de la résistance du sol en fonction du temps et, à long-terme, à sa rupture. La relation entre ces microprocessus a été établie et le critère de rupture des sols argileux a été déterminé.

En étudiant les changements de structure des argile au point de vue des processus d’activation, les auteurs établirent une connexion entre la cinétique des changements de structure et la vitesse de déformation des sols, d’une part, et l’instant de leur rupture d’autre part. En se basant sur l’étude de la nature physique de ces processus, les auteurs ont obtenu des équations de la déformation et de la rupture à long-terme des sols argileux.

Une comparaison de ces équations avec les résultats expérimentaux a donné une bonne coïncidence.

Summary

Relationships in soil mechanics are usually described by phenomenological equations obtained from the study of macroprocesses. If the relationship between micro- and macroprocesses are established, it becomes possible to give an analytical description of the deformation and the long-term failure of soils on the basis of the physical nature of these phenomena.

This paper sets forth the results of such investigations. Changes in the microstructuure of clays in the process of deformation were investigated by optical and electron microscopes and the dependences of these changes on the magnitude of the load, the duration of the process and the stage of deformation were established. It was found that the long-term deformation process of clays (creep phenomenon) is accompanied by a displacement and reorientation of particles, and a formation of microfissures, which leads to long-term failure of the soil and to a decrease of its strength in time. The relationship of the indicated microprocesses was established and the failure criterion of clayey soils was determined.

In studying the changes of the structure of clays from the point of view of the activation processes, the authors established a connection between the kinetics of the structural changes and the deformation rate of soils on one hand, and their failure time on the other. As a result, equations of deformation and long-term strength of clayey soils were obtained. They are based on the investigation of the physical essence of these processes.

A comparison of the above-mentioned equations with test data yielded a good coincidence.