Ahmed M. Al-Mahbashi;Muawia Dafalla;Mosleh Al-Shamrani
Geomechanics and Engineering
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v.33
no.6
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pp.625-633
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2023
The volume changes associated with moisture or suction variation in expansive soils are of geotechnical and geoenvironmental design concern. These changes can impact the performance of infrastructure projects and lightweight structures. Assessment of unsaturated function for these materials leads to better interpretation and understanding, as well as providing accurate and economic design. In this study, expansive soils from different regions of Saudi Arabia were studied for their basic properties including gradation, plasticity and shrinkage, swelling, and consolidation characteristics. The unsaturated soil functions of saturated water content, air-entry values, and residual states were determined by conducting the tests for the entire soil water characteristic curves (SWCC) using different techniques. An attempt has been made to provide a prediction model for unsaturated properties based on the basic properties of these soils. Once the profile of SWCC has been predicted the time and cost for many tests can be saved. These predictions can be utilized in practice for the application of unsaturated soil mechanics on geotechnical and geoenvironmental projects.
Al-Mahbashi, Ahmed M.;Elkady, Tamer Y.;Alrefeai, Talal O.
Geomechanics and Engineering
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v.8
no.5
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pp.687-706
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2015
Methods commonly used to evaluate the improvement of lime-treated expansive soil include swelling characteristics and unconfined compressive strength. In the field, lime-treated expansive soils are in compacted unsaturated state. Soil water characteristic curves (SWCCs) represent a key parameter to interpret and describe the behavior of unsaturated expansive soil. This paper investigates the use of SWCC as a technique to evaluate improvements acquired by expansive soil after lime treatment. Three different lime contents were considered 2%, 4% and 6% by dry weight of clay. Series of tests were performed to determine the SWCC for the different lime content under curing periods of 7 and 28 day. Correlations between key features of the soil water characteristic curves of lime treated expansive soils and basic engineering behavior such as swelling characteristics and unconfined compression strength were established. Test results revealed that initial slope ($S_1$), saturated water content ($w_{sat}$), and air entry value (AEV) play an important role in reflecting improvement in engineering behavior achieved by lime treatment.
Qi, Shunchao;Vanapalli, Sai K.;Yang, Xing-guo;Zhou, Jia-wen;Lu, Gong-da
Geomechanics and Engineering
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v.19
no.1
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pp.1-9
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2019
Shallow failures occur frequently in both engineered and natural slopes in expansive soils. Rainfall infiltration is the most predominant triggering factor that contributes to slope failures in both expansive soils and clayey soils. However, slope failures in expansive soils have some distinct characteristics in comparison to slopes in conventional clayey soils. They typically undergo shallow failures with gentle sliding retrogression characteristics. The shallow sliding mass near the slope surface is typically in a state of unsaturated condition and will exhibit significant volume changes with increasing water content during rainfall periods. Many other properties or characteristics change such as the shear strength, matric suction including stress distribution change with respect to depth and time. All these parameters have a significant contribution to the expansive soil slopes instability and are difficult to take into consideration in slope stability analysis using traditional slope stability analysis methods based on principles of saturated soil mechanics. In this paper, commercial software VADOSE/W that can account for climatic factors is used to predict variation of matric suction with respect to time for an expansive soil cut slope in China, which is reported in the literature. The variation of factor of safety with respect to time for this slope is computed using SLOPE/W by taking account of shear strength reduction associated with loss of matric suction extending state-of-the art understanding of the mechanics of unsaturated soils.
Building on/with expansive soils with no treatment brings complications. Compacted expansive soils specifically fall short in satisfying the minimum requirements for transport embankment infrastructures, requiring the adoption of hauled virgin mineral aggregates or a sustainable alternative. Use of hauled aggregates comes at a high carbon and economical cost. On average, every 9m high embankment built with quarried/hauled soils cost $12600MJ.m^{-2}$ Embodied Energy (EE). A prospect of using mixed cutting-arising expansive soils with industrial/domestic wastes can reduce the carbon cost and ease the pressure on landfills. The widespread use of recycled materials has been extensively limited due to concerns over their long-term performance, generally low shear strength and stiffness. In this contribution, hydromechanical properties of a waste tyre sand-sized rubber (a mixture of polybutadiene, polyisoprene, elastomers, and styrene-butadiene) and expansive silt is studied, allowing the short- and long-term behaviour of optimum compacted composites to be better established. The inclusion of tyre shred substantially decreased the swelling potential/pressure and modestly lowered the compression index. Silt-Tyre powder replacement lowered the bulk density, allowing construction of lighter reinforced earth structures. The shear strength and stiffness decreased on addition of tyre powder, yet the contribution of matric suction to the shear strength remained constant for tyre shred contents up to 20%. Reinforced soils adopted a ductile post-peak plastic behaviour with enhanced failure strain, offering the opportunity to build more flexible subgrades as recommended for expansive soils. Residual water content and tyre shred content are directly correlated; tyre-reinforced silt showed a greater capacity of water storage (than natural silts) and hence a sustainable solution to waterlogging and surficial flooding particularly in urban settings. Crushed fine tyre shred mixed with expansive silts/sands at 15 to 20 wt% appear to offer the maximum reduction in swelling-shrinking properties at minimum cracking, strength loss and enhanced compressibility expenses.
This paper studies the swelling and strength characteristics of unimproved and improved expansive soils in terms of the swell potential, swelling pressure, rate of secondary swelling, unconfined compressive strength and California bearing ratio (CBR). The admixtures used in this study are locally available cement and fly ash. The soils used in this study were taken from the Mae Moh power plant, Lampang Province, in northern Thailand. A conventional consolidation test apparatus was used to determine the swelling of the soil specimen. The optimum admixture contents are determined to efficiently reduce the swelling of unimproved soil. The rate of secondary swelling for unimproved soil is within the range of highly plastic montmorillonite clay, whereas the specimens improved with optimum admixture contents can be classified as non-swelling kaolinite. A soil type affects the swelling pressure. Expansive soil improvement with fly ash alone can reduce swelling percentage but cannot enhance the unconfined compressive strength and CBR. The strength and swelling characteristics can be predicted well by the swelling percentage in this study.
The rapid urbanization in Pakistan is creating a shortage of sustainable construction sites with good soil conditions. Attempts have been made to use rice husk ash (RHA) in concrete industry of Pakistan, however, limited literature is available on its potential to improve local soils. This paper presents an experimental study on engineering properties of low and high plastic cohesive soils blended with 0-20% RHA by dry weight of soil. The decrease in plasticity index and shrinkage ratio indicates a reduction in swell potential of RHA treated cohesive soils which is beneficial for problems related to placing pavements and footings on such soils. It is also observed that the increased formation of pozzolanic products within the pore spaces of soil from physicochemical changes transforms RHA treated soils to a compact mass which decreases both total settlement and rate of settlement. A notable increase in friction angle with increase in RHA up to 16% was also observed in direct shear tests. It is concluded that RHA treatment is a cost-effective and sustainable alternate to deal with problematic local cohesive soils in agro-based developing countries like Pakistan.
Ali, Muhammad;Aziz, Mubashir;Hamza, Muhammad;Madni, Muhammad Faizan
Geomechanics and Engineering
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v.22
no.3
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pp.227-236
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2020
Expansive soils are renowned for their swelling-shrinkage property and these volumetric changes resultantly cause huge damage to civil infrastructures. Likewise, subgrades consisting of expansive soils instigate serviceability failures in pavements across various regions of Pakistan and worldwide. This study presents the use of polypropylene fibers to improve the engineering properties of a local swelling soil. The moisture-density relationship, unconfined compressive strength (UCS) and elastic modulus (E50), California bearing ratio (CBR) and one-dimensional consolidation behavior of the soil treated with 0, 0.2, 0.4, 0.6 and 0.8% fibers have been investigated in this study. It is found that the maximum dry density of reinforced soil slightly decreased by 2.8% due to replacement of heavier soil particles by light-weight fibers and the optimum moisture content remained almost unaffected due to non-absorbent nature of the fibers. A significant improvement has been observed in UCS (an increase of 279%), E50 (an increase of 113.6%) and CBR value (an increase of 94.4% under unsoaked and an increase of 55.6% under soaked conditions) of the soil reinforced with 0.4% fibers, thereby providing a better quality subgrade for the construction of pavements on such soils. Free swell and swell pressure of the soil also significantly reduced (94.4% and 87.9%, respectively) with the addition of 0.8% fibers and eventually converting the medium swelling soil to a low swelling class. Similarly, the compression and rebound indices also reduced by 69.9% and 88%, respectively with fiber inclusion of 0.8%. From the experimental evaluations, it emerges that polypropylene fiber has great potential as a low cost and sustainable stabilizing material for widespread swelling soils.
The conventional representative underground cavity restoration methods, which are mainly open-cut methods, require high cost and long period of time for the restoration. Therefore, various trenchless restoration methods have been proposed to improve these disadvantages. The underground cavity restoration method using the expansive material proposed in this paper is one of the trenchless methods. This method fills the underground cavity with high quality backfill soils through the small hole(s) at asphalt layer and compacts backfill soils by insertion of the expansive material within the cavity. In this study, the restoration method using expansive material was constructed in acrylic chamber. The restoration efficiency of the method was analyzed by the fill ratio and degree of relative compaction according to the location and number of bore holes. As a result of the experiment, the restoration efficiency and the optimum construction location were found to be irrelevant.
AlZubaidi, Raddi M.;AlRawi, Kawkab H.;AlFalahi, Ahmed J.
Geomechanics and Engineering
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v.5
no.6
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pp.565-574
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2013
Extensive study was carried out on Clay expansive soil. This soil was silty clay and can be classified as CH. The degree of expansion was found to range from low to medium depending on the free swell and swell pressure tests. The research investigated the effect of using cement dust on swelling potential, Atterberg Limit, linear shrinkage, and mineralogical composition of expansive soil. The results showed that the swelling potential, plasticity index, linear shrinkage, and clay minerals decrease with increasing cement dust percentage. The cement dust accumulates in huge amounts as a side product in cement factories, and the disposal of this fine dust is very difficult and poses an environmental threat.
Expansive soil is the most predominant geologic hazard which shows a large amount of shrinkage and swelling with changes in their moisture content. This study investigates the macro-mechanical and micro-structural behaviours of dredged natural expansive clay from coal mining treated with ordinary Portland cement or hydrated lime addition. The stabilised expansive soil aims for possible reuse as pavement materials. Mechanical testing determined geotechnical engineering properties, including free swelling potential, California bearing ratio, unconfined compressive strength, resilient modulus, and shear wave velocity. The microstructures of treated soils are observed by scanning electron microscopy, x-ray diffraction, and energy dispersive spectroscopy to understand the behaviour of the expansive clay blended with cement and lime. Test results confirmed that cement and lime are effective agents for improving the swelling behaviour and other engineering properties of natural expansive clay. In general, chemical treatments reduce the swelling and increase the strength and modulus of expansive clay, subjected to chemical content and curing time. Scanning electron microscopy analysis can observe the increase in formation of particle clusters with curing period, and x-ray diffraction patterns display hydration and pozzolanic products from chemical particles. The correlations of mechanical properties and microstructures for chemical stabilised expansive clay are recommended.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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