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Evaluation of void ratio and elastic modulus of unsaturated soil using elastic waves
Évaluation
de l’indice des vides et
du module élastique d
’un
sol non saturé en utilisant les ondes
élastiques
Byun Y.H., S. Lee J.
Korea University
Cho S.H.
Doosan Engineering and Construction (Formerly Korea University)
Yoon H.K.
Daejeon University (Formerly Korea University)
ABSTRACT: The void ratio and elastic modulus of a soil influence the soil
’s
behavior. In unsaturated soils, soil parameters can be
easily affected by the matric suction and specimen component. The object of this study is to evaluate the elastic moduli and void
ratios of unsaturated soils using compression and shear waves. The analytical equation for the void ratio in unsaturated soils is derived
from the elastic wave velocities. The volumetric pressure plate extractor (VPPE) is improved for the application of axial load. The
compression and shear waves are measured using piezo disk elements and bender elements, respectively, installed on the confining
cell. For the preparation of the specimens, sands are mixed with silts of two different volume fractions (vf), 0 and 20%. The
specimens are subjected to the axial stresses of 100 or 350 kPa to control the matric suction. The experimental results show that the
shear wave velocities in the specimens with vf = 20% increase with increasing matric suction, while the shear wave velocities in the
sandy soils (vf = 0%) remained almost constant. The compression wave velocities increase with increasing axial load, while the
compression wave velocities remain constant with changes in the matric suction. The void ratio values determined from the elastic
wave velocities agree well with void ratio values determined on the basis of the volume of the unsaturated soils. This study suggests
that elastic waves can be effectively used to estimate the void ratios and elastic moduli of unsaturated soils.
RÉSUMÉ : L'indice des vides et le module élastique d'un sol influent sur le comportement du sol. Dans les sols non saturés, les
paramètres du sol t peuvent être facilement affectés par la succion matricielle et la nature du sol. L'objective de cette étude est
d'évaluer les modulesélastiques et les indices des vides des sols non saturés en utilisant des ondes de compression et de cisaillement.
L'équation analytique pour l’indice des vides dans les sols non saturés est dérivée de la vitesse des ondes élastiques. L’Éxtracteur de
Plaque de Pression Volumétrique(EPPV) est amélioré pour l'application de la charge axiale. Les ondes de compression et de
cisaillement sont mesurées en utilisant des éléments des disques piézoélectriques et des éléments piézocéramiques(‘bender elements’),
respectivement, installés sur la cellule de confinement. Pour la préparation des éprouvettes , le sable est mélangé avec le limon avec
deux différentes fractions volumiques(fv), 0 et 20%. Les éprouvettes sont soumises à des contraintes axiales de 100 ou 350 kPa pour
contrôler la succion matricielle. Les résultats expérimentaux montrent que les vitesses des ondes de cisaillement dans les échantillons
de fv = 20% augmentent avec la succion matricielle croissante, tandis que les vitesses des ondes de cisaillement dans les sols sableux
(fv = 0%) sont restées presque constantes. Les vitesses des ondes de compression augmentent avec l'augmentation de la charge axiale,
tandis que les vitesses des ondes de compression restent constantes avec les variations de la succion matricielle. Les valeurs de
l’indice de vides déterminées par les vitesses des ondes élastiques sont en bon accord avec les valeurs de l’indice des vides
déterminées sur la base du volume des sols non saturés. Cette étude suggère que les ondes élastiques peuvent être efficacement
utilisées pour estimer les indices des vides et des modules élastiques des sols non saturés.
KEYWORDS: Degree of saturation, Elastic wave velocity, Matric suction, Unsaturated soils, Void ratio.
1 INTRODUCTION
Soils are commonly regarded as fully saturated or completely
dry. Experimental studies conducted with unsaturated soils
require significantly longer than studies conducted with fully
saturated or completely dry soils. Soils are commonly
unsaturated near the surface. Soils used in dams or bridge
foundations are mostly unsaturated. The stiffness of soils is
affected by the amount of air and water that they contain. Since
the 1970's, studies of unsaturated soil mechanics have been
conducted (Fredlund et al. 1978, Fredlund and Xing 1994,
Vanapalli et al. 1996). As unsaturated soil dries out, the
volumetric water content decreases and the matric suction
increases (Fredlund and Rahardjo 1993).
The goal of this study was to characterize unsaturated soils
using elastic waves, including compression and shear waves.
The elastic waves were measured using bender elements and
piezo disk elements. Bender elements and piezo disk elements
can change electrical energy into mechanical energy. Both
transducers are commonly installed in consolidation cells and
field penetration devices for use in seismic investigations (Lee
et al. 2008, Lee et al. 2010, Yoon et al. 2010)
In this study, compression and shear wave transducers were
installed on the walls of rectangular unsaturated soil
characterization cells. This paper presents the background
theory related to unsaturated soils, elastic wave velocities, the
volumetric pressure plate extractor (VPPE) system, the test
procedure, tests results, analyses, and summary and conclusions.
2 BACKGROUND THEORY
2.1 Volumetric change
Matyas (1968) reported that the volume of an unsaturated soils
is affected by u
a
- u
w
and
σ
- u
a
, where u
a,
u
w
, and
σ
are the pore
air pressure, the pore water pressure and the normal stress,
respectively. The term u
a
- u
w
is the matric suction, and the term
Lee J.S.
