Structure and mechanical response of sub-Apennine Blue Clays in relation to their geological and recent loading history

The paper discusses the intrinsic properties, geological history, natural structure and mechanical behaviour of stiff Italian clays, part of the sub-Apennine Blue Clay formation, which are located at different sites within the marine basin where the clay formation was deposited in the early Pleistocene. For all the clay deposits being considered, diagenesis, unloading due to erosion, and weathering of the top strata represent the main stages of the geological history. However, the clays have undergone different levels of unloading, and have developed different levels of structure due to their different locations in the basin. These differences are accounted for in the analysis of their current states and behaviour. Based upon a large experimental database, the structure and mechanical behaviour of the clay samples from the different sites are compared and related to the clay history. In particular, the soil structure is characterised based upon SEM analysis results and compression–swelling test results. The comparison of the response to compression–swelling cycles of the natural clay with that of the same clay when reconstituted leads to the evaluation of parameters such as the stress sensitivity S_σ and the swell sensitivity C_s^* = C_s, which are used to assess the structural strength of the natural clay with respect to that of the reconstituted clay. The stress–strain behaviour of the different clays along different constant stress-ratio compression paths and shear paths (from low to high pressures) is discussed in detail. The variations in stress–strain response of samples subjected to different pre-shear consolidation paths are outlined. The corresponding trends of the plastic strain increment ratios are investigated. As a result of the analysis, the features of the gross yield curves of the different clay horizons are also assessed. Finally, the study provides elements for the characterisation of the hardening properties of stiff clays, and therefore of the evolution of the material anisotropy during plastic deformation.

Cet article discute des propriétés intrinsèques, de l'histoire géologique, de la structure naturelle et du comportement mécanique des argiles fermes italiennes qui font partie de la formation d'argile bleue subapennine et qui sont situées à divers emplacements du bassin marin où cette formation argileuse a été déposée, au début du Pléistocène. Pour tous les gisements d'argile considérés ici, les stades principaux de l'histoire géologique sont la diagénèse, la décompression due à l'érosion et la dégradation des couches supérieures. Cependant, les argiles ont subi différents niveaux de décompression et ont développé différents niveaux de structure du fait de leurs divers emplacements dans le bassin. Ces différences sont reflétées par l'analyse de leurs états et comportements actuels. À partir d'une grande base de données expérimentale, on a comparé la structure et le comportement mécanique des échantillons d'argile provenant de différents emplacements et on a relié ces caractéristiques à l'histoire de l'argile. En particulier, on a caractérisé la structure du sol grâce aux résultats de l'analyse SEM (Structural equation modeling ou modélisation d'équations structurelles) et de l'essai de compressiongonflement. En comparant la réponse aux cycles de compression-gonflement de l'argile naturelle avec celle de la m≖me argile lorsque celle-ci a été reconstituée, on a pu évaluer des paramètres tels que la sensibilité à la contrainte Sσ et la sensibilité au gonflement Cσs /Cs, ceux-ci étant utilisés pour évaluer la résistance structurelle de l'argile naturelle par rapport à celle de l'argile reconstituée. Cet article discute en détail du comportement de contrainte – déformation de différentes argiles selon des chemins de compression et des chemins de cisaillement différents à indice de contrainte constant. Il décrit les variations de la réponse contrainte – déformation d'échantillons soumis à divers chemins de consolidation pré-cisaillement. Il y a aussi des recherches sur les tendances correspondantes des indices d'incrément de contrainte plastique. Suite à cette analyse, cet article estime aussi les caractéristiques des courbes de rendement brut des différents horizons d'argiles. En dernier lieu, cette étude fournit des éléments pour la caractérisation des propriétés de durcissement des argiles fermes et par conséquent pour celle de l'évolution de l'anisotropie matérielle durant une déformation plastique.