Volume Change Behaviour of Lacustrine Clay Fill: A Numerical Modelling Study for the Design of Highway Embankments

ABSTRACT: High plastic clay subgrades are commonplace for highway embankments in Southern Manitoba. Previous research conducted on pavement structures founded on high plastic clay subgrades in this region identified subgrade swelling and shrinking, and differential frost heave as potential mechanisms contributing to poor pavement performance. Specifically, early pavement distress was identified after the completion of an asphalt paving project in Southern Manitoba. These observations prompted investigations to explain the geotechnical mechanisms leading to the observed pavement distress. Investigations included instrumentation and monitoring, laboratory testing to determine the swelling potential of typical clay fill, and a simplified numerical model – all of which have been presented in previous work. The focus of this paper is on the refinement of a calibrated numerical model using finite element modeling programs to explore the impact of wetting and drying cycles, and a freezing cycle on strain behaviour beneath the asphalt pavement, and to understand the scale of movement relative to the observed pavement distress. Using the results of the numerical model, remedial options, specifically geosynthetics, are considered for the mitigation of the differential movement across the embankment.

RÉSUMÉ: Les couches de forme en argile à haute plasticité sont courantes dans la construction des remblais routiers dans le sud de la province du Manitoba Des recherches antérieures menées sur des structures de chaussée installées sur des couches de forme en argile à haute plasticité dans le sud de la province du Manitoba ont identifié le gonflement et le retrait de la couche de forme, ainsi que le soulèvement différentiel dû au gel, comme des mécanismes potentiels contribuant à la mauvaise durabilité de la chaussée. Plus précisément, une dégradation précoce de la chaussée a été identifiée après l'achèvement d'un projet de revêtement en asphalte dans cette région. Ces observations ont donné lieu à des investigations visant à expliquer les mécanismes géotechniques à l'origine des fissures observées. Les recherches ont comporté une instrumentation et une surveillance, ainsi que des essais en laboratoire pour déterminer le potentiel de gonflement des remblais d'argile typiques. Également, un modèle numérique simplifié a été utilisé (tous ces éléments étant présentés dans des travaux antérieurs). L’objectif de cet article est d’affiner un modèle numérique calibré à l’aide de programmes de modélisation par éléments finis pour explorer l’impact des cycles d’humidification et de dessiccation, ainsi qu’un cycle de gel, sur le comportement en déformation sous la chaussée en asphalte, et de comprendre l’ampleur des mouvements par rapport aux détériorations observées. À partir des résultats du modèle numérique, des options de remédiation, notamment l’utilisation de géosynthétiques, sont envisagées pour atténuer les mouvements différentiels à travers le remblai.