Response of a plastic pipe buried in expansive clay

Failure of buried pipes due to reactive soil movement (e.g. shrinking/swelling) is a common problem for water and gas pipe networks in Australia and the world. Soil movement is closely related to seasonal climatic change, and particularly to the moisture content of soil. Although some research has been carried out to understand the effect of freezing and thawing of soils and temperature effects in colder climates, very limited research has been undertaken to examine the possible failure mechanisms of pipes buried in reactive soils. This study reports the responses of a 2 m long polyethylene pipe buried in reactive clay in a box under laboratory conditions. The soil and pipe movements were measured as the soil was wetted from the bottom of the box. It was observed that the pipe underwent substantial deformation as the soil swelled with increase of the moisture content. The results are explained with a simplified numerical analysis.

Discussion: Response of a plastic pipe buried in expansive clay

Response to discussion on Gallage CPK, Chan D and Kodilara J (2012) Response of a plastic pipe buried in expansive clay. Proceedings of ICE, Geotechnical Engineering, Vol 164, February 2012, Issue GE1, pages 45-57.

Influence of Osmotic Suction on the Soil-Water Characteristic Curves of Compacted Expansive Clay

Unsaturated clays are subject to osmotic suction gradients in geoenvironmental engineering applications and it therefore becomes important to understand the effect of these chemical concentration gradients on soil-water characteristic curves (SWCCs). This paper brings out the influence of induced osmotic suction gradient on the wetting SWCCs of compacted clay specimens inundated with sodium chloride solutions/distilled water at vertical stress of 6.25 kPa in oedometer cells. The experimental results illustrate that variations in initial osmotic suction difference induce different magnitudes of osmotic induced consolidation and osmotic consolidation strains thereby impacting the wetting SWCCs and equilibrium water contents of identically compacted clay specimens. Osmotic suction induced by chemical concentration gradients between reservoir salt solution and soil-water can be treated as an equivalent net stress component, (p(pi)) that decreases the swelling strains of unsaturated specimens from reduction in microstructural and macrostructural swelling components. The direction of osmotic flow affects the matric SWCCs. Unsaturated specimens experiencing osmotic induced consolidation and osmotic consolidation develop lower equilibrium water content than specimens experiencing osmotic swelling during the wetting path. The findings of the study illustrate the need to incorporate the influence of osmotic suction in determination of the matric SWCCs.

Laboratory Studies on Stabilization of an Expansive Soil by Lime Precipitation Technique

Lime stabilization prevails to be the most widely adopted in situ stabilization method for controlling the swell-shrink potentials of expansive soils despite construction difficulties and its ineffectiveness in certain conditions. In addition to the in situ stabilization methods presently practiced, it is theoretically possible to facilitate in situ precipitation of lime in soil by successive permeation of calcium chloride (CaCl2 ) and sodium hydroxide (NaOH) solutions into the expansive soil. In this laboratory investigation, an attempt is made to study the precipitation of lime in soil by successive mixing of CaCl2 and NaOH solutions with the expansive soil in two different sequences.Experimental results indicated that in situ precipitation of lime in soil by sequential mixing of CaCl2 and NaOH solutions with expansive soil developed strong lime-modification and soil-lime pozzolanic reactions. The lime-modification reactions together with the poorly de- veloped cementation products controlled the swelling potential, reduced the plasticity index, and increased the unconfined compressive strength of the expansive clay cured for 24 h. Comparatively, both lime-modification reactions and well-developed crystalline cementation products (formed by lime-soil pozzolanic reactions) contributed to the marked increase in the unconfined compressive strength of the ex-pansive soil that was cured for 7–21 days. Results also show that the sequential mixing of expansive soil with CaCl2 solution followed by NaOH solution is more effective than mixing expansive soil with NaOH solution followed by CaCl2 solution. DOI: 10.1061/(ASCE)MT .1943-5533.0000483. © 2012 American Society of Civil Engineers.

Iodide Retention by Modified Kaolinite in the Context of Safe Disposal of High Level Nuclear Waste

Bentonite clay is identified as potential buffer in deep geological repositories (DGR) that store high level radioactive wastes (HLW) as the expansive clay satisfies the expected mechanical and physicochemical functions of the buffer material. In the deep geological disposal of HLW, iodine-129 is one of the significant nuclides, attributable to its long half-life (half life 1⁄4 1:7 × 107 years). However, the negative charge on the basal surface of bentonite particles precludes retention of iodide anions. To render the bentonite effective in retaining hazardous iodide species in DGR, improvement of the anion retention capacity of bentonite becomes imperative. The iodide retention capac-ity of bentonite is improved by admixing 10 and 20% Ag-kaolinite (Ag-K) with bentonite (B) on a dry mass basis. The present study produced Ag-kaolinite by heating silver nitrate-kaolinite mixes at 400°C. Marginal release of iodide retained by Ag-kaolinite occurred under extreme acidic (pH 1⁄4 2:5) and alkaline (pH 1⁄4 12:5) conditions. The swell pressure and iodide etention results of the B-Ag-K specimens bring out that mixing Ag-K with bentonite does not chemically modify the expansive clay; the mixing is physical in nature and Ag-K presence only contributes to iodide retention of the admixture. DOI: 10.1061/(ASCE)HZ.2153-5515.0000121. © 2012 American Society of Civil Engineers.

Characterization of silver-kaolinite (AgK): an adsorbent for long-lived I-129 species

Bentonite is a preferred buffer and backfill material for deep geological disposal of high-level nuclear waste (HLW). Bentonite does not retain anions by virtue of its negatively charged basal surface. Imparting anion retention ability to bentonite is important to enable the expansive clay to retain long-lived I-129 (iodine-129; half-life = 16 million years) species that may escape from the HLW geological repository. Silver-kaolinite (AgK) material is prepared as an additive to improve the iodide retention capacity of bentonite. The AgK is prepared by heating kaolinite-silver nitrate mix at 400 degrees C to study the kaolinite influence on the transition metal ion when reacting at its dehydroxylation temperature. Thermo gravimetric-Evolved Gas Detection analysis, X-ray diffraction analysis, X-ray photo electron spectroscopy and electron probe micro analysis indicated that silver occurs as AgO/Ag2O surface coating on thermally reacting kaolinite with silver nitrate at 400 degrees C.

Matérias-primas da plataforma do Mondego para cerâmica

O presente trabalho divulga os resultados dos estudos levados a efeito nas matérias-primas argilosas que se integram tipologicamente na argila comum, ocorrentes na designada Plataforma do Mondego, Centro de Portugal, na região entre Miranda do Corvo, a SW, e Tábua, a NE. Para tal realizou-se a cartografia superficial dos sedimentos continentais do Cretácico e do Terciário, aí preservados, estabeleceram-se as colunas sedimentares, a nível regional e a nível local, nas áreas de maior potencial reconhecido e, caracterizaram-se as matérias-primas argilosas amostradas, em termos de composição, textura e aptidão cerâmica, objectivando a definição das zonas das jazidas com maior interesse industrial. A informação obtida e compilada, relativa ao caulino e ao feldspato é também apresentada, com vista a uma percepção da potencialidade destas matériasprimas cerâmicas ocorrentes na área. O estudo de caracterização dos materiais argilosos investigados teve como base 53 amostras obtidas em seis regiões da Plataforma do Mondego aqui definidas por motivo de organização do trabalho, segundo os critérios geográfico e geotectónico. As formações de Côja e de Campelo, do Terciário, constituem as unidades onde ocorrem litótipos produtivos, em termos de matéria-prima para a Cerâmica de Barro Vermelho ou Cerâmica de Construção. Relativamente às características texturais e composicionais, em síntese, apresentam-se os factos relevantes seguintes: A matéria-prima argilosa existente na área estudada materializa, granulometricamente, na maioria das amostras, silte, caindo os níveis amostrados com maior percentagem de argila, no domínio do silte argiloso. O défice em fracção argila implica limitações quanto à possibilidade de diversificação de produtos cerâmicos fabricados com estas matérias-primas tal-qual. Os diferentes métodos analíticos utilizados na caracterização mineralógica dos materiais amostrados confirmaram uma composição em termos dos minerais argilosos, consistindo de ilite/mica (em geral, o mais abundante), caulinite e esmectite, interestratificados e clorite. Os minerais não argilosos são quartzo (predominante), feldspato (sobretudo potássico) e hematite, com uma representação baixa. A mineralogia da fracção inferior a 2μm das amostras, não difere das amostras totais, salvo no teor mais elevado dos minerais argilosos e acentuada redução dos minerais não argilosos. Os resultados da análise química por fluorescência de raios X das amostras integrais correlacionam-se com as características mineralógicas observadas através das técnicas analíticas utilizadas. No respeitante às propriedades e comportamento cerâmico verifica-se: Os parâmetros relacionados com a plasticidade indicam que parte das pastas elaboradas com estes materiais argilosos têm uma trabalhabilidade aceitável, mas existem problemas de conformação e acentuada retracção num número significativo de amostras, devido à elevada plasticidade da maioria das amostras. A extrusão é satisfatória a óptima. A RMF e a retracção em seco assumem valores, respectivamente, moderados a baixos e moderados, embora seja necessário ter em conta o procedimento de extrusão dos provetes, sem dispositivo de vácuo. Todas as amostras foram sujeitas a cozedura a 900ºC, e um conjunto seleccionado foi cozido a 1000ºC e a 1100ºC. As fases mineralógicas ocorrentes após cozeduras a 900ºC e 1100ºC foram identificadas num conjunto de amostras, tendo-se evidenciado a coerência dessas fases, com a mineralogia das amostras em seco. Após cozedura a 900ºC, os valores de RMF das amostras satisfazem geralmente os valores mínimos, exigidos para o fabrico de tijolo, abobadilha e, com alguma frequência, de telha, como já se verificava com os valores daquela propriedade em seco. Os valores de retracção seco-cozido são em geral, modestos. A capacidade de absorção de água é maioritariamente elevada. A formação de vidro, sobretudo, condiciona o comportamento destas propriedades por cozedura dos provetes a 1000ºC e a 1100ºC. A coloração predominante em cru das matérias-primas argilosas amostradas é amarelo acastanhado a castanho avermelhado. Após cozedura a 900ºC, há um acentuado escurecimento e incremento no grau de vermelho. As cozeduras a 1000ºC e 1100ºC promovem escurecimento gradual, com ligeira influência na cor. O comportamento dos provetes após as cozeduras cerâmicas revelou-se homogéneo a cada uma das respectivas temperaturas, não se registando também defeitos significativos, nem eflorescências. A análise das amostras em termos composicionais e tecnológicos permitiu destacar as principais características e aspectos distintivos das matériasprimas, nas diferentes regiões definidas objectivando as diferentes potencialidades cerâmicas. Nesta abordagem comparativa foram consideradas só as amostras dos campos silte e silte arenoso, por serem aquelas com maior interesse para a Cerâmica de Construção. Nas colunas sedimentares das regiões de Tábua e Santa Quitéria constata-se a ocorrência de dois ritmos de sedimentação, que embora assumam características específicas em cada região, têm aspectos composicionais e tecnológicos em comum, traduzindo melhor aptidão cerâmica os ritmos inferiores. A conjugação da cartografia realizada com os estudos laboratoriais permite concluir que as regiões de Tábua e de Santa Quitéria serão as que têm maior potencial por explorar, em matéria-prima para Cerâmica de Construção, apesar da primeira já ser intensamente explorada. Na região de Tábua, as amostras têm como fases mineralógicas principais ilite e quartzo na mesma proporção média (35%) e caulinite (média=19%) que regista enriquecimento significativo na fracção argila (média=38%). As argilas desta região registam a cor em cru mais vermelha e pH mais ácido observados. O ritmo de sedimentação inferior, com esmectite e interestratificados e ligeiramente menos quartzoso, apresenta melhores propriedades cerâmicas. A composição mineralógica média das amostras da região de Santa Quitéria é próxima daquela da região de Tábua, mas menos caulinítica, em especial na sequência inferior, na qual o teor médio de caulinite na fracção argila (7%) é o mais baixo observado. Na região de Côja – Arganil, a actividade extractiva é significativa na bacia de Côja. Aqui, a exploração de novas áreas potenciais é condicionada pela cobertura conglomerática e por estruturas tectónicas e não tectónicas relacionadas com comportamento plástico. Na restante área desta região, os recursos argilosos são penalizados por material areno-conglomerático. As amostras desta região distinguem-se das restantes a nível textural pela maior fracção areia e mineralogicamente pela presença de clorite, teor reduzido de caulinite e elevado de feldspato. As potencialidades em barro vermelho na região de Sanguinheda não serão significativas, pois a Formação de Côja é predominantemente arcósica e a Formação de Campelo pouco espessa e conglomerática. As argilas com melhor aptidão cerâmica foram amostradas na região de Miranda do Corvo – Lousã. Na composição, estas amostras são as que contêm maior fracção de argila, maior teor de ilite e caulinite e menor de argilas expansivas. Registam os melhores valores nas características tecnológicas, nomeadamente a RMF e absorção de água. A consistência dos grupos amostrais e ritmos definidos em termos composicionais e tecnológicos é corroborada pelas técnicas de análise estatística multivariada aplicadas, que os identificam. As condições de amostragem na região de Tábua, permitiram a elaboração de uma coluna tipológica, na qual, a partir de uma caracterização expedita de amostras é possível identificar a sua afinidade com os ritmos argilosos definidos e, consequentemente, a sua situação na coluna sedimentar regional e aptidão cerâmica. A cartografia dos recursos argilosos potenciais, elaborada à escala 1:25.000, constitui um dos objectivos principais deste trabalho e nela constam unidades litológicas, nas quais são diferenciadas unidades argilosas tendo também em consideração a tipologia e guias mineralógicos resultantes da caracterização das amostras. As características composicionais destas unidades denotam diferente aptidão cerâmica e, portanto, permitem salientar as zonas com maior interesse económico.

Propriedades reológicas de matérias-primas do Pólo Cerâmico de Santa Gertrudes provenientes da Formação Corumbataí (região de Rio Claro, SP)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Caracterização geológico-geotécnica aplicada à instalação de postos de combustíveis em Rio Claro (SP)

Pós-graduação em Geociências e Meio Ambiente - IGCE

Field performance of in-service cast iron water reticulation pipe buried in reactive clay

Field monitoring is an important means for understanding soil behaviour and its interaction with buried structures such as pipeline. This paper details the successful instrumentation of a section of an in-service cast iron water main buried in an area of reactive clay where frequent water pipe breakage has been observed. The instrumentation included measurement of pipe strain; pipe water pressure and temperature; soil pressure, temperature, moisture content and matric suction, as well as the meteorological conditions on site. The data generally indicated that changes in soil temperature, suction and moisture content were directly related to the local climatic variations. The suction and moisture content data indicated that the soil profile at the site down to around 700 mm, and probably down to 1000 mm, is affected by changes in surface weather, while soil conditions below this depth appear to be more stable. Analysis of pipe strain indicated that the pipe behaves like a cantilever beam, with the top experiencing predominantly tensile strains during summer. Subsequently, these trends reduce to compressive strains as soil swelling occurs due to increase of moisture content with the onset of winter.

Field performance of in-service cast iron gas reticulation pipe buried in reactive clay

Field instrumentation of an in-service cast iron gas pipe buried in a residential area is detailed in this paper. The aim of the study was to monitor the long-term pipe behavior to understand the mechanisms of pipe bending in relation to ground movement as a result of seasonal fluctuation of soil moisture content. Field data showed that variation of soil temperature, suction, and moisture content are closely related to the prevailing climate. Change of soil temperature is generally related to the ambient air temperature, with a variation of approximately −3°C −3°C per meter depth from the ground surface in summer (decrease with depth) and winter (increase with depth). Seasonal cyclic variation in moisture content was observed with maxima in February and March, and a minimum around September. The pipe top was under tensile strain during summer and subsequently subjected to compressive strain as soil swelling occurred as a result of increase in moisture content. The study suggests that downward pipe bending occurs in summer because of soil shrinkage, while upward pipe bending occurs in winter when the soil swells.

Mineralogical changes and geotechnical properties of an expansive soil interacted with caustic solution

The type and amount of clay mineral plays an important role in the behaviour of fine-grained soils. Clay minerals are the primary source and moisture is often the external agent of swelling in soils. Also soils may exhibit increased/reduced swelling due to interaction with chemicals. Alkalis used in industrial operations are one such example. Concentrations of alkali and mineral type are the key factors in such interactions. The present paper reports the changes in the properties of an expansive Black Cotton soil containing a mixed layer mineral, rectorite upon interaction with high concentration caustic solutions. X-ray diffraction studies have shown that the rectorite present in the soil undergoes changes with increase in the concentration of alkali. Saponite gets transformed to nantronite. Small amount of kaolinitic mineral present in the soil also reacts with alkali producing some changes in its mineralogy. Many hydroxides are produced. Differential thermal analysis studies have been supportive of these changes. Consequent of these changes, the soil-specific surface increases, changes its Atterberg limits and free swell volume increases. The results have been supported by the characteristics and behaviour of samples contaminated in the field with alkali from an alumina extraction plant.