Experimental analysis of soil cracking due to environmental conditions

Abstract

This thesis presents an experimental approach on the subject of cracking in soils due to changes in environmental conditions, where research is mainly directed to the soil-air interface and the effect of boundary conditions. At the theoretical level, hypotheses put forward by various authors on the cracking of soils in terms of origin and crack propagation are considered, which serve as a reference to describe the behavior obtained from the tests. The objectives of the thesis belong to a line of research dedicated to studying the desiccation of soils and their implications in engineering works. The work consisted in the implementation of a one-year-long field test, subjected to natural environmental conditions, instrumented to monitor and record the main variables within the soil (temperature, volumetric water content, suction) and others very close to the ground-air interface area (wind speed and direction, temperature, relative humidity, solar radiation, rain intensity). For the laboratory experiments, significant improvements have been made in the existing environmental chamber to allow wetting of the specimens, and the automatic control of drying and wetting cycles. The cycles of humidity in the environmental chamber and the periods of rain and drought selected from the one-year-long field test measurements have been devised to study the behavior of the cracks in response to the variation of water content in the soil. Several types of soil have been used for the development of the tests. One of the soils was a silty clay from the Campus Nord of the UPC in Barcelona, already well characterized in works already published. Another soil, used in both laboratory and field experiments, is a silty clay from the Agròpolis agricultural campus in Viladecans. This clay is characterized in depth in this thesis. To study the cracking of soils as an effect of suction and contraction, mixtures of Jeddah sand (Saudi Arabia) with Gordon’s Kaolinite (United States) have been used. The analysis of the results is based on concepts of classical soil mechanics and unsaturated soil mechanics, notions of agro-meteorology, application of techniques for image analysis and concepts previously developed in the research group. Some theoretical analysis has been carried out to explain the results obtained and to reach conclusions on the proposed objectives. In general, the results of the laboratory experiments confirm some hypotheses and coincide with observations from previous published studies. The modified soil classification system RSCS has worked well as a tool to anticipate the transition of the capillarity phenomenon and the tendency to cracking by drying according to the input parameters required by that classification system. The combination of laboratory and field experiments has led to the conclusion that drying in the field is more efficient than in the environmental chamber, despite an extreme decrease of the relative humidity, given that there are natural variables that affect the boundary conditions and may have effects on the process of cracking in the ground.Esta tesis presenta un enfoque experimental sobre el tema de agrietamiento en suelos debido a cambios en las condiciones medioambientales, donde la investigación se dirige principalmente a la interface suelo-aire y al efecto del contorno. A nivel teórico se consideran hipótesis expuestas por diversos autores sobre el agrietamiento de suelos en términos de origen y propagación de grietas, que sirven de referencia para describir el comportamiento obtenido de los ensayos. Los objetivos de la tesis se enmarcan dentro de una línea de investigación dedicada a estudiar la desecación de suelos y sus implicaciones en obras de ingeniería. El trabajo ha consistido en la implantación de un ensayo en campo a largo plazo, de un año de duración, sometido a las condiciones ambientales naturales, instrumentado para el registro de variables dentro del suelo (temperatura, contenido de humedad volumétrico, succión) y otras muy cercanas a la zona de la interface suelo-aire (velocidad y dirección del viento, temperatura, humedad relativa, radiación solar, intensidad de la lluvia). En el ámbito experimental de laboratorio se han hecho mejoras importantes en la cámara ambiental existente para permitir reproducir la humectación de las muestras y el control automático de ciclos de secado y humedecimiento. Los ciclos de humedad en cámara ambiental y periodos de lluvia y sequía seleccionados del año de medición al aire libre se plantean para estudiar el comportamiento de las grietas como respuesta ante la variación del contenido de agua en el suelo. Para el desarrollo de los ensayos se han utilizado varios tipos de suelo. Uno ha sido la arcilla limosa del Campus Nord de la UPC en Barcelona, ampliamente estudiada en trabajos ya publicados. Otro suelo, utilizado tanto en experimentos de laboratorio como en campo, es una arcilla limosa del campus agrario Agròpolis en Viladecans. Esta arcilla se caracteriza en profundidad en la presente tesis. Para estudiar el agrietamiento de suelos como un efecto de la succión y la retracción se han utilizado mezclas de arena de Jeddah (Arabia Saudí) con Caolinita de Gordon (Estados Unidos). El análisis de los resultados se basa en conceptos de la mecánica de suelos clásica y mecánica de suelos no saturados, nociones de agro-meteorología, aplicación de técnicas para el análisis de imagen y fundamentos definidos en trabajos previos del grupo de investigación. Se ha llevado a cabo un tipo de análisis teórico para explicar los resultados obtenidos y concluir sobre los objetivos planteados. En general los resultados de los experimentos de laboratorio confirman algunas hipótesis planteadas y coinciden con observaciones de estudios previos publicados. El sistema modificado de clasificación de suelos RSCS ha funcionado como una herramienta para anticipar la transición del fenómeno de capilaridad y la tendencia al agrietamiento por desecación según los parámetros de entrada que requiere el sistema de clasificación mencionado. La combinación de experimentos en laboratorio y en campo han llevado a concluir que el secado en campo es más eficiente que en la cámara ambiental, aunque se extreme la disminución de la humedad relativa, dado que hay variables naturales que afectan las condiciones de contorno y pueden llegar a tener efectos en el proceso de formación de grietas en el suelo.Aquesta tesi presenta un treball experimental sobre el tema d'esquerdament en sòls a causa de canvis en les condicions mediambientals, on la investigació es dirigeix principalment a la interfície sòl-aire i a l'efecte de les condicions de contorn. A nivell teòric es consideren hipòtesis exposades per diversos autors sobre l'esquerdament de sòls en relació a la formació i propagació d'esquerdes, que serveixen de referencia per descriure els comportaments obtingut dels assajos. Els objectius de la tesi s'emmarquen dins d'una línia de recerca dedicada a estudiar la dessecació de sòls i les seves implicacions en obres d'enginyeria. El treball ha consistit en la implantació d'un assaig en camp a llarg termini, d'un any de durada, sotmès a les condicions ambientals naturals, instrumentat per al registre de variables dins del sòl (temperatura, contingut volumètric d'humitat, succió) i altres molt properes a la zona de la interfície sòl-aire (velocitat i direcció del vent, temperatura, humitat relativa, radiació solar, intensitat de la pluja). En l'àmbit experimental de laboratori s'han fet millores importants en la cambra ambiental existent per permetre reproduir la humectació de les mostres i el control automàtic de cicles d'assecat i humitejament. Els cicles d'humitat en cambra ambiental i els períodes de pluja-sequera seleccionats de l'any de mesurament a l'aire lliure es plantegen per estudiar el comportament de les esquerdes com a resposta davant la variació del contingut d'aigua en el sòl. Per al desenvolupament dels assajos s'han utilitzat diversos tipus de sòl. Un tipus de sòl és l'argila llimosa del Campus Nord de la UPC a Barcelona, àmpliament estudiada en treballs ja publicats. Un altre sòl, utilitzat tant en experiments de laboratori com en el de camp, és una argila llimosa del campus agrari Agròpolis a Viladecans. Aquesta argila s'ha caracteritzat en profunditat en la present tesi. Per estudiar l'esquerdament de sòls com un efecte de la succió i la retracció s'han utilitzat mescles de sorra de Jeddah (Aràbia Saudita) amb caolinita de Gordon (Estats Units). L’anàlisi dels resultats es basa en conceptes de la mecànica de sòls clàssica i mecànica de sòls no saturats, nocions d'agro-meteorologia, aplicació de tècniques per a l’anàlisi d'imatge i altres conceptes definits en treballs previs del grup de recerca. S'ha dut a terme un tipus d’anàlisi teòrica per explicar els resultats obtinguts i concloure sobre els objectius plantejats. En general els resultats dels experiments de laboratori confirmen algunes hipòtesis plantejades i coincideixen amb observacions d'estudis publicats prèviament. El sistema modificat de classificació de sòls RSCS ha funcionat com una eina per anticipar la transició del fenomen de capil·laritat i la tendència a l'esquerdament per dessecació segons els paràmetres d'entrada que requereix el sistema de classificació esmentat. La combinació d'experiments en laboratori i en camp han portat a la conclusió que l'assecat en camp és més eficient que a la cambra ambiental, malgrat la disminució extrema de la humitat relativa, atès que hi ha variables naturals que afecten les condicions de contorn i poden arribar a tenir efectes en el procés de formació d'esquerdes en el sòl