Study of the micro-mechanical behaviour of the Opalinus Clay: an example of co-operation across the ground engineering disciplines

Abstract

The high degree of scientific cross-fertilisation possible between the three geo-engineering disciplines soil mechanics, rock mechanics and engineering geology, is demonstrated by means of a micro-mechanical model of the Opalinus Clay. After a brief review of Terzaghi’s effective stress principle and the importance of micro-mechanical models in general, a conceptual study of a micro-mechanical model of a claystone is presented in some detail. The model is based on the Particle Flow Code (PFC) developed by Itasca Corp. It introduces into the model the pertinent composition and structure of the Opalinus Claystone established in the local engineering geology of Switzerland and SW Germany. This includes elongated clay platelets, various layers of densified water around the platelets, free water in the pores and a specific texture of the platelets after consolidation. The model is numerically subjected to a series of loading stages. It is shown that the micro-mechanical model reproduces a number of features which have been known for a long time in soil and rock mechanics but which are often intractable in conventional generic models. The features include non-linear stress–strain curves with pre-failure damage and post-failure strain softening, a non-linear increase of the particle contacts with loading, distinct clustering of deformations, clustering of micro cracks leading to the development of shear bands and hysteresis in cyclic loading. It is concluded that micro-mechanical models are promising tools for further development of our understanding of the mechanical behaviour of geological materials. They offer an excellent opportunity for scientific co-operation between engineering geologists and soil and rock mechanics engineers.

Résumé

Les possibilités de synergie entre les trois disciplines relevant de la géo-ingénierie, c’est-à-dire la mécanique des sols, la mécanique des roches et la géologie de l’ingénieur, sont illustrées au travers de l’élaboration d’un modèle micro-mécanique de l’argile à Opalinus. Après un bref rappel sur la relation de Terzaghi et sur l’importance des modèles micro-mécaniques en général, une étude conceptuelle d’un modèle micro-mécanique de roche argileuse est présentée en détail. Le modèle est basé sur le Code PFC (Particle Flow Code) développé par Itasca. Le modèle prend en compte la composition et la structure de l’argile à Opalinus, bien définies par les études de géologie de l’ingénieur réalisées en Suisse et en Allemagne. Le matériau se présente en plaquettes argileuses allongées, avec diverses couches d’eau adsorbées en surface des plaquettes, de l’eau libre dans les pores et une texture spécifique après consolidation. Le modèle numérique permet de tester les effets de divers chargements mécaniques. On montre que le modèle micro-mécanique permet de rendre compte de plusieurs caractéristiques connues de longue date en mécanique des sols et des roches mais difficiles à reproduire par les modèles conventionnels. Ces caractéristiques concernent les courbes non-linéaires contrainte-déformation, avec endommagement de pré-rupture et radoucissement de post-rupture, l’augmentation non-linéaire des points de contact entre particules en réponse au chargement mécanique, la formation de micro-fissures en amas conduisant au développement de bandes de cisaillement et les phénomènes d’hystérésis en réponse à des chargements cycliques. On conclut que les modèles micro-mécaniques représentent des outils prometteurs pour une meilleure compréhension du comportement mécanique des matériaux géologiques. Ils offrent aux scientifiques, spécialistes de géologie de l’ingénieur, de mécanique des sols et des roches, une excellente opportunité de coopération.