Using shear wave velocity and microstructure for investigation of Champlain clay anisotropy

Torabi Pour, Amin (2025). Using shear wave velocity and microstructure for investigation of Champlain clay anisotropy. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Shear wave velocity measurement is a powerful tool to study the dynamic behavior of soils, including maximum shear modulus (elastic stiffness). Understanding the relationship between elastic stiffness, shear wave velocity, effective stress and void ratio enhances the reliability of seismic design and interpretation in geotechnical practice. The laboratory measurements of shear wave velocity allow parallel monitoring of mechanical characteristics by means of conventional geotechnical apparatuses like a standard oedometer device.

This dissertation focuses on the investigation of directional properties of the Champlain soft marine clay under 1D-consolidation testing. Naturally occurring cohesive soil deposits exhibit anisotropy ranging from slight to pronounced degrees. To characterize the anisotropic nature of soft marine clay deposits, a novel laboratory method was developed and employed to enable directionality measurements. Using a transducer system, shear wave velocities were measured on undisturbed specimens within an instrumented oedometer equipped with lateral strain gauges for K0 stress measured, while applying effective vertical stresses up to 1000 kPa.

The shear wave velocities increased with stress level, reaching up to 200 m/s in the verticalhorizontal plane and 220 m/s in the horizontal-horizontal plane at maximum applied stress. These measurements were used to calculate cross-anisotropic stiffness at different stress levels. The results revealed that intact Champlain clays exhibit low to moderate anisotropy ratios (1.10-1.30), with higher variations observed at lower stress levels, particularly below the preconsolidation pressure. The effect of bedding layer characteristics was also studied through trimming and preparing specimens at different angles from 90 to 0 degrees. Results demonstrate a consistent pattern where anisotropy values at intermediate angles bridge the gap between vertical and horizontal directions.

Another point of interest in this study was to develop the anisotropy investigations of these clay samples on a microscale. The clay platelets position and their rearrangement were studied in intact and consolidated specimens, respectively. Scanning electron microscopy as an imaging technique was conducted to take high-quality digital images from the clay surface utilized in 1D-consolidation tests. A MATLAB-based script was developed to quantify clay fabric orientation using SEM images, applying two different methods of quantification (FOCM-I and FOCM-II). Intact Champlain clay samples show a randomly oriented to loworiented association based on the anisotropy classification (anisotropy index ranges around 0.145 and 0.17). Initially random particle orientations in intact samples progressively align perpendicular to the vertical applied stress through 1D-consolidation process.

A parametric study was conducted to examine the effects of key SEM parameters, including accelerating voltage (10-30 kV) and magnification (1000-7000x), on clay fabric anisotropy calculations discrepancies. An imaging technique was employed to enhance the reliability of anisotropy quantification through SEM image analysis while minimizing uncertainties in directionality calculations. A comparison of anisotropy determination with published data in both macro- and microscale revealed the relationship and dependency of anisotropy on overconsolidation ratio and stress history of marine and glacial clays.

Titre traduit

Utilisation de la vitesse des ondes de cisaillement et de la microstructure pour l’étude de l’anisotropie de l’argile de Champlain

Résumé traduit

La mesure de la vitesse des ondes de cisaillement constitue un outil puissant pour étudier le comportement dynamique des sols, notamment le module de cisaillement maximal (rigidité élastique). La compréhension de la relation entre la rigidité élastique, la vitesse des ondes de cisaillement, la contrainte effective et l'indice des vides améliore la fiabilité de la conception sismique et de l'interprétation dans la pratique géotechnique. Les mesures en laboratoire de la vitesse des ondes de cisaillement permettent un suivi parallèle des caractéristiques mécaniques au moyen d'appareils géotechniques conventionnels comme un oedomètre standard.

Cette thèse porte sur l'investigation des propriétés directionnelles de l'argile marine molle de Champlain sous essais de consolidation unidimensionnelle. Les dépôts de sols cohésifs naturels présentent une anisotropie allant de légère à prononcée. Pour caractériser l’anisotropie des dépôts d'argile marine molle, une nouvelle méthode de laboratoire a été développée et employée pour permettre des mesures de directionnalité. À l'aide d'un système de transducteurs, les vitesses d'ondes de cisaillement ont été mesurées sur des échantillons non remaniés dans un oedomètre instrumenté équipé de jauges de déformation latérales pour la mesure des contraintes K0, tout en appliquant des contraintes verticales effectives allant jusqu'à 1000 kPa.

Les vitesses des ondes de cisaillement ont augmenté avec le niveau de contrainte, atteignant jusqu'à 200 m/s dans le plan vertical-horizontal et 220 m/s dans le plan horizontal-horizontal à la contrainte maximale appliquée. Ces mesures ont été utilisées pour calculer la rigidité crossanisotropique à différents niveaux de contrainte. Les résultats ont révélé que les argiles de Champlain intactes présentent des rapports d'anisotropie faibles à modérés (1,10-1,30), avec des variations plus importantes observées à des niveaux de contrainte plus faibles, particulièrement en dessous de la pression de préconsolidation. L'effet des caractéristiques des couches de stratification a également été étudié en taillant et en préparant des échantillons à différents angles, de 90 à 0 degrés. Les résultats démontrent un modèle cohérent où les valeurs d'anisotropie à des angles intermédiaires comblent l'écart entre les directions verticale et horizontale.

Un autre point d'intérêt dans cette étude était de développer les investigations d'anisotropie de ces échantillons d'argile à l'échelle microscopique. La position des plaquettes d'argile et leur réarrangement ont été étudiés dans des échantillons intacts et consolidés, respectivement. La microscopie électronique à balayage (MEB), en tant que technique d'imagerie, a été utilisée pour prendre des images numériques de haute qualité de la surface d'argile utilisée dans les tests de consolidation unidimensionnelle. Un script basé sur MATLAB a également été développé pour quantifier l'orientation de la structure argileuse à l'aide d'images MEB, en appliquant deux méthodes différentes de quantification (FOCM-I et FOCM-II). Les échantillons d'argile Champlain intacts montrent une association orientée aléatoirement à faiblement orientée selon la classification d'anisotropie (l'indice d'anisotropie varie de 0,145 - 0,17). Les orientations initialement aléatoires des particules dans les échantillons intacts s'alignent progressivement perpendiculairement à la contrainte verticale appliquée au cours du processus de consolidation unidimensionnelle.

Une étude paramétrique a été menée pour examiner les effets des paramètres clés du MEB, notamment la tension d'accélération (10-30 kV) et le grossissement (1000-7000x), sur les écarts dans les calculs d'anisotropie de la structure argileuse. Une technique d'imagerie a été employée pour améliorer la fiabilité de la quantification de l'anisotropie par l'analyse d'images MEB tout en minimisant les incertitudes dans les calculs de directionnalité. Une comparaison de la détermination de l'anisotropie avec des données publiées à l'échelle macro et microscopique a révélé la relation et la dépendance de l'anisotropie au rapport de surconsolidation et à l'historique des contraintes des argiles marines et glaciaires.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement for the degree of doctor of pilosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 243-262).
Mots-clés libres:	argiles marines molles de Champlain, vitesse des ondes de cisaillement, anisotropie transverse, piézoélectrique ring-actuateur technique (P-RAT), essai de consolidation unidimensionnelle, microscopie électronique à balayage, traitement d'images
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Éthier, Yannic
Codirecteur:	Codirecteur Karray, Mourad
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	22 déc. 2025 17:17
Dernière modification:	22 déc. 2025 17:17
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3770

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