A constitutive model for soft clayey rocks that includes weathering effects

Microstructural and mineralogical observations of claystones reveal the presence of clay aggregates bonded by a skeleton of inert minerals such as calcium carbonate. The behaviour of these natural materials evolves from a rock-like behaviour, when undisturbed, to clay-like soil when weathered or when subjected to straining. A model has been developed to simulate the constitutive behaviour of these transitional materials. Following the proposal made by Vaunat & Gens, the material is conceived as a composite medium made of a clay matrix and a quasibrittle bonding microstructure. The basic model has been modified and extended to reproduce the expansive behaviour of the clay matrix, a fundamental aspect to simulate weathering effects, induced largely by drying–wetting cycles. The clay matrix reacts to stress and suction changes, whereas the bond component is not affected by suction changes. An elasto-plastic double-structure model for expansive clay soils describes the clay matrix. The bonding structure follows a damage model. The interaction between the two constitutive models derives from strain compatibility conditions and energy considerations. The model performance is first illustrated by means of a sensitive analysis that explores the effect of initial bond strength, bond damage rate, bonding concentration, and wetting–drying cycles. Simple stress paths (uniaxial deformation; triaxial compression) are used to highlight the features of the formulation and the role of significant parameters. Some published tests are also reproduced with the model. They have been selected to show some relevant features of evolving soft clay rocks: stiffness and strength degradation during loading and enhanced rebound during unloading, and the effect of drying–wetting cycles on subsequent stiffness and strength degradation.

Les observations microstructurales et minéralogiques de l'argilite ont révélé la présence d'agrégats argileux cimentés par un squelette de minéraux inertes tels que le carbonate de calcium. Le comportement de ces matériaux naturels évolue, d'un comportement proche d'une roche (lorsqu'ils laissés tels quels) au comportement d'un sol de type argileux (lorsqu'ils sont dégradés ou soumis à des contraintes). On a développé un modèle pour simuler le comportement constitutif de ces matériaux de transition. Suite à la proposition de Vaunat & Gens, on considère que le matériau est un milieu composite fait d'une matrice argileuse et d'une microstructure de cimentation quasifragile. Le modèle de base a été modifié et étendu pour reproduire le comportement expansif de la matrice argileuse, un aspect fondamental pour simuler les effets de dégradation essentiellement induits par les cycles de séchage- mouillage. La matrice argileuse réagit aux changements de contrainte et d'aspiration tandis que la composante de cimentation n'est pas affectée par les changements d'aspiration. On peut décrire la matrice argileuse des sols argileux expansifs à l'aide d'un modèle à doublestructure élasto-plastique. La structure de cimentation, quant à elle, utilise un modèle de détérioration. L'interaction entre les deux modèles constitutifs provient des conditions de compatibilité de contrainte et des considérations énergétiques. La performance des modèles est d'abord illustrée par l'intermédiaire d'une analyse de sensibilité qui explore l'effet de la résistance de la cimentation initiale, le taux de détérioration de la cimentation, la concentration de la cimentation et les cycles de séchagemouillage. On a utilisé des chemins de contraintes simples (déformation uniaxiale, compression triaxiale) pour souligner les caractéristiques de la formulation et le rôle des paramètres significatifs. Outre le modèle, cet article reproduit des essais publiés. Ceux-ci ont été sélectionnés pour montrer certaines caractéristiques pertinentes des roches argileuses fermes évolutives : dégradation de la fermeté et de la résistance lors de la compression et augmentation lors de la décompression par effet de rebond ainsi que l'effet des cycles de séchage-mouillage sur la dégradation ultérieure de la fermeté et de la résistance.