The Incidence and Associated Geotechnical Issues of Swelling Clay in Stockholm  Viktoria Clarin & Anna Clark  Previous tunnel failures have shown that inadequate reinforcement in tunnels can lead to cave-ins, whereby swelling clay is one of several factors that can result in these damages. Swelling clay minerals possess the ability to absorb water molecules and cations leading to an increase in volume. Instability in tunnels is a consequence of the mobilised swelling pressure caused by lack of room to accommodate for the change in volume. Several tunnels are projected throughout central Stockholm in the near future, whereby numerous drill cores have been logged. This bachelor thesis will therefore focus on the swelling potential and swelling pressure of clay samples selected from a drill core traversing the Söderström fault system. The samples selected for further analysis were collected from a drill core from Slussen, Stockholm, with the aim of determining the reinforcement requirements for future tunnelling projects.  Several samples from the drill core were selected for analysis, whereby free swelling test was conducted to determine the swelling potential for each sample. One sample displayed more than 100% volume increase and was further tested to determine swelling pressure. Tests were performed using an oedometer, resulting in a measured swelling pressure of approximately 155kPa. To identify the clay type several X-ray diffraction tests were performed on the sample.  Similar swelling pressures have been measured in tunnels affected by cave-ins in Norway. Due to these previous events, the swelling pressure is of imminent importance when constructing new tunnels. Based on the obtained results, an adequate reinforcement can be estimated and used as a foundation for future tunnel constructions within the area. The tests show that the Söderström fault contains swelling clay and precautions will have to be taken when tunnels are constructed. / Förekomsten och geotekniska konsekvenser av svällande lera i Stockholm  Viktoria Clarin & Anna Clark Tidigare fall har visat att otillräcklig förstärkning i tunnlar kan leda till ras där svällande lera är en av ett antal faktorer som kan resultera i sådana skador. Svällande lermineral innehar egenskapen att absorbera vatten och katjoner som resulterar i en volymökning. Instabilitet i tunnelkonstruktioner är en konsekvens av det mobiliserande svälltrycket som uppstår då utrymme inte finns tillgängligt för denna volymändring. Ett antal tunnlar är planerade genom centrala Stockholm inom en nära framtid varför flertalet borrkärnor har karterats. Denna kandidatuppsats fokuserar därför på svällningspotential och svälltryck hos prov från en borrkärna som korsar Söderströmförkastningen. Proven som valts ut för vidare analys har sitt ursprung från en borrkärna tagen vid Slussen, Stockholm. Analyserna i denna studie har i syfte att möjliggöra en estimering av förstärkning vid framtida projekt som involverar tunnelkonstruktion.  Ett antal prov valdes ut för analys varpå fria svällningsförsök utfördes för att bestämma svällningspotential hos respektive prov. Ett av proven uppvisade en volymökning över 100% varför ytterligare försök utfördes för att fastställa provets svälltryck. Försöken genomfördes med hjälp av en ödometer vilket resulterade i ett svälltryck på ca 155kPa. För identifiering av leran utfördes ett antal analyser med röntgendiffraktion.  Likvärdiga svälltryck har uppmätts i tunnlar som drabbats av ras i Norge. Det är därför viktigt att ta hänsyn till detta då de nya tunnelprojekten ska påbörjas. Baserat på resultaten denna rapport redovisar kan godtycklig förstärkning estimeras och användas som grund för framtida tunnlar som byggs i området. Resultaten i denna studie visar att Söderströmsförkastningen innehåller svällande lera vilket kommer måste tas hänsyn till då tunnlar konstrueras.

Swelling clay is an important and challenging geological feature in tunnelling projects.The behaviour of swelling clay is influenced by many internal and external factors.This, combined with a lack of experience and knowledge has resulted in challengeswhen accounting for the swelling phenomena. In addition to this, there is a lack ofunderstanding for the calculation of rock support when swelling clay is present. Themain objectives of this thesis were to compare laboratory methods used to measure theswelling potential, identify possible uncertainties when performing oedometer tests,and to provide a model for design of rock support for single zones with swelling clay.To support these objectives, a literature review has been conducted and laboratory testshave been performed to determine swelling properties using clay samples collectedfrom a tunnel failure in Sweden. In addition, a model has been derived for design ofrock support when swelling clay is present in single zones of different widths. Theresults from the laboratory tests showed that the clay sample could be characterizedas active respectively moderately active clay. The results of the model for design of rocksupport showed that the width of the swelling zone and the swelling pressure have asignificant impact on the shotcrete thickness, rebar spacing and reaction forces at therock bolts. However, future research for design of rock support is required as well asdevelopment of a more detailed standard for testing of swelling clay.

The Yazoo Clay is a calcareous fossiliferous mudrock that outcrops in a northwest-southeast belt across much of Mississippi and in adjacent states. Based on over 240 X-ray diffraction analyses, the average composition of the Yazoo Clay is 28% smectite, 24% kaolinite, 22% quartz, 15% calcite, 8% illite, 2% feldspar, and 1% gypsum. Exposed Yazoo clay is weathered to a depth of 30-40 ft. and has a distinctive yellow/brown color; unweathered Yazoo is blue/gray. In most wells, smectite is more abundant in weathered clay than in unweathered clay. Mineralogic changes correlate well with engineering properties of the samples, which in general show a decrease in plasticity indices with depth. Weathered Yazoo clay exhibits greater mineralogic variability than unweathered clay. Mineralogical content also varies laterally. Lateral variation, along with correlative smectite content and engineering properties, is the reason for ?roller coaster? roadways and structural damage caused by the swelling Yazoo Clay.

Ce travail vise à améliorer la description à l'échelle du nanomètre des sols argileux expansifs en utilisant la théorie de la fonctionnelle de densité (DFT). L’eau n’est plus considérée comme un solvant continu mais comme un fluide de molécules polaires individuelles. L'objectif est de reproduire les résultats issus de l'expérience ou de la modélisation numérique tels que la présence de couches d'eau discrètes dans l'espace interfolaire ou la variation de la pression de disjonction avec la distance interfolaire dans le régime de gonflement cristallin. Différents phénomènes physiques de complexité croissante sont successivement étudiés. La taille finie des molécules d'eau est tout d'abord prise en compte en modélisant l'eau comme un fluide de sphères dures traité par la théorie fondamentale de la mesure. La nature polaire du solvant est ensuite implicitement considérée en utilisant un potentiel intermoléculaire de Lennard-Jones pour reproduire les différents types d'interactions de Van der Waals. La nature dipolaire de l'eau est ensuite explicitement modélisée par un fluide dipolaire de sphères dures. Ces deux derniers modèles utilisent une approche perturbative de la théorie de la fonctionnelle de densité dans laquelle les effets de corrélation entre les molécules du fluide sont incorporés. Les ions sont finalement ajoutés afin de compléter la description de la double couche électrique. En vue d'une application au génie civil, l'expression améliorée de la pression de disjonction à l'échelle nanométrique est incluse dans une forme modifiée du principe de Terzaghi appliqué aux argiles expansives non-saturées récemment développée dans notre groupe afin de simuler numériquement le comportement hydro-mécanique des argiles gonflantes lors d’essais d'infiltration d’eau / This work aims at improving the nanoscale description of expansive clayey soils using the Density Functional Theory (DFT). Water is no longer considered as a continuous solvent but as a fluid of individual polar molecules in order to recover existing experimental and modeling results such as the presence of discrete water layers in the interplatelet space or the variation of the disjoining pressure with the interplatelet distance at low hydration level. Different physical phenomena of increasing complexity are successively considered. The finite size of the water molecules is firstly taken into account by modeling water as a Hard Sphere fluid using the Fundamental Measure Theory. The polar nature of the water solvent is then implicitly taken into account through a Lennard-Jones potential averaging the different types of Van der Waals interactions. Next the polar nature of the solvent is explicitly modelized by considering water as a Dipolar Hard Sphere fluid. These two fluid models are studied in the framework of the Density Functional Perturbation Theory in which correlation effects between the fluid molecules are incorporated. Ions are finally added in order to complete the Electrical Double Layer description at the nanoscale. With the objective of an application to civil engineering, the improved expression of the disjoining pressure at the nanoscale is included in a modified form of Terzaghi's effective stress principle for unsaturated expansive clays recently developed by our group in order to numerically simulate the hydro-mechanical behavior of expansive clays during water uptake

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:41:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 EmanuellaLFV.pdf: 2331935 bytes, checksum: 3f4df9b602349e41bf8ab4d2c561b59d (MD5) Previous issue date: 2009-01-14 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / The clay swelling is today one of the major problems during the well drilling. Nearly 50% of clays that constitute shale expand easily in the presence of water molecules. During the drilling of a geological formation containing swelling clays, when is feasible the use of water base fluids, it is necessary to apply clay inhibitors. This avoids the incorporation of the cutting to the drilling fluid which is responsible for the wall swelling and crumbling. The aim of this work was to evaluate the synergistic behavior that occurs when swelling clay inhibitors are associated to NaCl and KCl salts. Three swelling clay inhibitors samples, INIB A, INIB B and INIB C, were analyzed. Each inhibitor was characterized by the amount of chlorides and active matter content. For the water-clay interaction evaluation in the presence of various fluids, it was used the Capillary Suction Timer (CST, Fann) and Linear Swell Meter (LSM 2000, Fann). For better interpretation of results, a Design of Experiments (DOE, Umetrics MODDE 7.0 TM) through Result Surface Methodology (RSM) was employed, taking into account the type, the swelling inhibitors concentration and the contact time with the clay. The results showed different efficiencies among the inhibitors employed, and the salt-inhibitors mixtures were more efficient than those products alone. However, for field operation, other parameters should be taking into account, as operational cost, environmental requests and time of application for each product / O inchamento das argilas, quando em contato com o fluido de perfura??o, tem sido um dos maiores vil?es na perfura??o de po?os de petr?leo. Aproximadamente 50 % das argilas que constituem um folhelho se expandem facilmente na presen?a de mol?culas de ?gua. Na perfura??o de camadas geol?gicas contendo folhelhos hidrat?veis, quando ? vi?vel a utiliza??o de fluidos ? base de ?gua, h? a necessidade de utiliza??o de inibidores de inchamento de argilas. Estes inibidores evitam que os s?lidos perfurados incorporem-se ao fluido, e impedem o inchamento e o desmoronamento das paredes dos po?os. Esta disserta??o teve como objetivo realizar um estudo sobre o comportamento sinerg?tico de inibidores de hidrata??o de argila quando associados aos sais de NaCl e KCl. Foram analisadas tr?s amostras de inibidores de inchamento de argila comerciais, INIB A, INIB B e INIB C. Cada inibidor foi caracterizado quanto ao teor de cloreto e de mat?ria ativa. Para avalia??o da intera??o ?gua-argila na presen?a dos diversos fluidos, amostras de argila ativada foram submetidas a testes de capilaridade no CST (Capilary Succion Timer) e de inchamento no LSM (Linear Swell Meter). Para melhor interpreta??o dos resultados, foi empregada an?lise estat?stica experimental (DOE), por metodologia de resposta de superf?cie (RSM), atrav?s do programa MODDE 7.0TM da Umetrics, em que se levou em considera??o o tipo, a concentra??o dos inibidores de inchamento e o tempo de contato com a argila. A an?lise dos resultados comprovou as diferen?as de efici?ncia entre os inibidores empregados e que misturas dos inibidores com sais s?o mais eficientes que os produtos individualmente. Entretanto, para opera??es de campo, outros par?metros devem ser levados em considera??o, tais como custo, exig?ncias dos ?rg?os ambientais e tempo de atua??o do produto

Dans le cadre de cette thèse, il s'agit d'étudier les effets électro-chimio-mécaniques à la nanoéchelle d'un système des argiles smectites saturés d'eau et des ions compensateurs à l'aide de la théorie de mécanique statistique. Des modèles plus complexes que celui de Poisson-Boltzmann comme DFT/MSA, HNC sont étudiés en prenant en compte des effets de corrélation entre des ions de taille finie ayant pour objectif de calculer la distribution des ions aux nanopores. D'autre part, en cherchant à comprendre la physique du système, nous avons résolu également le problème mécanique à cette échelle en introduisant les tenseurs des contraintes du fluide satisfaisant obligatoirement l'équilibre mécanique. Une fois les problèmes à la plus petite échelle sont dévoilés, une méthode d'homogénéisation périodique de type multi-échelles est utilisée pour passer aux échelles supérieures dans le but d'obtenir les lois constitutives macroscopiques des propriétés physiques comme la pression de gonflement, le transport, à partir des équations aux petites échelles. Dans ce contexte, les modèles à deux échelles et à trois échelles sont proposés pour atteindre les échelles microscopique ou macroscopique à partir des nanopores. En fin, le modèle de trois échelles (modèle de double porosité) est appliqué à la simulation d'une barrière argileuse avec un échange d'ions / In this work, we study electro-chemo-mechanical effects at the nanoscale of smectite clay particles saturated by saline solutions containing water and ions, with the aid of Statistical Mechanical theory. Some more complex models than Poisson-Boltzmann's one as DFT/MSA, HNC are studied taking into account the ion-ion correlations between ions with finite size in order to compute local ionic distributions in the nanopores. On the other hand, we resolved also the mechanical problem in this scale by introducing the stress tensors of fluid satisfying compulsorily mechanical equilibrium. Our aim next is to up-scale the model to higher scale based on homogenization of periodic structures aiming at obtaining the macroscopic constitutive laws for the disjoining pressure and transport problem. In this context, the two et three-scale models are proposed. Finally, the three-scale model (dual-porosity model) is applied for a clay barrier simulation with ion exchange problem

La plupart des données existantes de diffusion d'eau et de solutés sont obtenues pour des roches argileuses extrêmement complexes ou des échantillons en apparence plus simples préparés à base d'argiles gonflantes sodiques de type smectite. Ces dernières pouvant présenter des organisations très variables et encore mal comprises (phase gel-floc-suspension stable) en conditions saturées, il reste très difficile de contraindre les modèles à double milieu (eau porale ou interfoliaire) parfois avancés pour interpréter des expériences de diffusion. Un système modèle d'argiles gonflantes reflétant réellement un double milieu a pu être obtenu à partir de trois fractions granulométriques d'une vermiculite-Na. Celles-ci ne présentent pas de phase gel en conditions saturées mais des particules bien définies dont la morphologie et l'organisation ont pu être caractérisées. Un dispositif de diffusion a été développé afin d'étudier la diffusion de HDO et Br- pour ces différentes fractions en fonction de la porosité. L'avantage majeur de ce dispositif est de pouvoir préparer des échantillons par sédimentation analysables en tomographie de rayons-X afin de valider leur homogénéité organisationnelle ; hypothèse considérée dans les modélisations. Les résultats obtenus démontrent que cette nouvelle voie de préparation conduit à des échantillons plus homogènes par rapport aux méthodes classiques. Les premières perspectives quant à l'utilisation de ces doubles milieux modèles se dégagent à travers les premiers résultats de diffusion obtenus puisque leurs caractéristiques géométriques parfaitement contrôlées peuvent permettre de pondérer l'impact des différents processus de transport potentiels / Most of existing data on diffusion of water and solutes were obtained either on extremely complex clayey rocks or on seemingly more simple samples prepared from sodium-saturated swelling clay minerals, namely smectites. Because these latter can exhibit in water-saturated conditions various organizations not yet fully understood (gel phase-floc-stable suspension), it is still difficult to constrain dual-porosity media modeling (pore or interlayer water) sometimes considered for interpreting results from diffusion experiments. A model system for swelling clay minerals, mimicking a true dual-porosity medium, was obtained by using three size fractions of a Na-vermiculite. These fractions do not exhibit gel-like behavior in water-saturated conditions but rather well defined particles, whose morphology and organization have been characterized. An experimental set-up was designed for the investigation of HDO and Br- diffusion in these size-fractions as a function of porosity. The main advantage of this set up is that it allows assessing for the organizational homogeneity of a sample prepared by sedimentation process through X-ray tomography measurements, an assumption considered for diffusion modeling. The obtained results showed that this new method for sample preparation leads to more homogeneous samples as compared to classical procedures. The first perspectives concerning the use of these dual-porosity model systems are drawn from the first diffusion results obtained, as the well-controlled geometrical characteristics of these model systems successfully help in balancing the contribution of the different potential transport processes.

Les minéraux argileux gonflants sont omniprésents dans tous les compartiments de la surface de la Terre et notamment dans les sols. La structure lamellaire de ces minéraux et leur faible taille leur confèrent une forte réactivité notamment vis à vis des polluants et nutriments qui sont présents dans les eaux porales des sols. Dans ce cadre, cette thèse vise à contribuer à une meilleure compréhension des interactions entre des minéraux argileux gonflants et des cations nutritifs (calcium, strontium) et/ou d'intérêt environnemental (césium). Dans les sols, ces minéraux possèdent de larges distributions de taille et de cristallochimie (charge des feuillets). Par conséquent, pour mieux comprendre le rôle de chacun de ces paramètres sur la réactivité de ces particules naturelles, nous avons travaillé avec des « systèmes modèles », représentatifs des particules argileuses des sols : des particules de vermiculite triées en taille et des saponites synthétiques avec des charges de feuillets contrôlées. Les résultats d'adsorption des cations étudiés (Cs, Sr) en compétition avec les cations majeurs des eaux naturelles (Na, Ca) ont été obtenus en couplant l'analyse chimique des solutions et la modélisation des réflexions 00ℓ des diffractogrammes de rayons X afin d'obtenir la distribution de cations entre les différents sites d'adsorption (interfoliaire vs externes). Une telle approche et l'utilisation des « systèmes modèles » nous ont permis d'obtenir des paramètres quantitatifs décrivant la réactivité des minéraux argileux gonflants des sols. Ces paramètres pourront être pris en compte dans les codes de transport prédisant la migration des cations dans les sols. / The swelling clay minerals are ubiquitous in all areas of the surface of the Earth, particularly in soils. The lamellar structure of these minerals and their small size are at the origin of their high reactivity in particular with respect to pollutants and nutrients that are present in soil pore water. In this context, our work aims to contribute to a better understanding of the interactions between swelling clay minerals and cations of nutritive (calcium) and/or environmental interest (cesium, strontium). In soils, swelling clay minerals have broad size distribution and can have a varied crystal chemistry. Therefore, to better understand the role of each of these parameters on the reactivity of the natural particles, we worked with "model systems", which are yet representative of the swelling clay particles encountered in soil environment. Different particle size fractions of vermiculite and different synthetic saponites characterised by well-controlled layer charge were used as "model systems". Results concerning ion-exchange isotherms for Cs and Sr, in competition with major cations of natural waters (Na, Ca), were obtained by combining chemical analyses and 00ℓ reflection modelling of X-ray diffractograms in order to assess the cation distribution between the different adsorption sites (interlayer vs external) located on swelling clay minerals. Such approach and the use of ‘model systems’ have allowed us to obtain quantitative parameters describing the reactivity of soil swelling clay mineral particles, and should be considered in reactive transport codes devoted to predict the migration of nutritive and polluted cations in soil environments.

Cette thèse étudie le procédé d’ultrafiltration tangentiel assisté par ultrasons aux échellesmacro et nanométriques. Différentes dispersions colloïdales ont été filtrées (argiles, micelle decaséine, nanocristaux d’amidon et de cellulose). Les propriétés d'écoulement et les changementsinduits par les ultrasons (US) ont été caractérisés. Les organisations structurelles à proximité de lamembrane ont été mises en évidence pour la première fois aux échelles nanométriques, lors de lafiltration par diffusion de rayons X aux petits angles in-situ. L’application des US a permis uneaugmentation significative des flux de perméation d’un facteur 1,6 à 13,5, selon l'organisationstructurale des colloïdes. Trois mécanismes induits par les US ont été identifiés : une érosioncomplète, une rupture partielle ou pas de changement (nanométrique) des couches de particulesaccumulées. Grâce aux profils de concentration obtenus, une approche de modélisation a permisune prévision du flux perméation. / This thesis studies an ultrasonic assisted cross-flow ultrafiltration process from macro tonano scales. Different types of colloids were investigated: synthetic and natural clay dispersions,casein micelles (skim milk) and starch or cellulose nanocrystal suspensions. Firstly, flowproperties and the changes due to ultrasound (US) were investigated. Secondly, structuralorganizations at nanometer length scales in the vicinity of the membrane during filtration havebeen revealed for the first time by real-time in-situ Small Angle X-ray Scattering. The applied USincreased significantly the permeate flux of ultrafiltration by an enhancement factor of 1.6 to13.5, depending on the structural organization of the colloids. The applied US has led to threemain effects: a removal of accumulated particle layer, a partial disruption or no change of thenano-organization. Thirdly, thanks to the obtained concentration profiles, a modeling approachhas allowed a prediction of the permeate flux.