Manual of Soil Laboratory Testing Frontmatter.indd 1 9/15/2011 8:12:58 PM Frontmatter.indd 2 9/15/2011 8:12:58 PM Manual of Soil Laboratory Testing Volume 2: Permeability, Shear Strength and Compressibility tests Third Edition K. H. Head, MA (Cantab), C. Eng, FICE, FGS R. J. Epps, B.Sc. A.R.S.M. C.Geol. FGS Frontmatter.indd 3 11/4/2011 4:56:02 PM Published by Whittles Publishing, Dunbeath Mill, Dunbeath, Caithness KW6 6EG, Scotland, UK www.whittlespublishing.com Distributed in North America by CRC Press LLC, Taylor and Francis Group, 6000 Broken Sound Parkway NW, suite 300, Published by Boca Raton, FL 33487, USA Whittles Publishing, Dunbeath Mill, © 2011 K H Head and R Epps Dunbeath, Caithness KW6 6EG, Scotland, UK ISBN 978-1904445-69-2 www.whittlespublishing.com USA ISBN 978-14398-6988-8 Distributed in North America by All rights reserved. CRC Press LLC, No part of this publication may be reproduced, Taylor and Francis Group, stored in a retrieval system, or transmitted, 6000 Broken Sound Parkway NW, suite 300, in any form or by any means, electronic, Boca Raton, FL 33487, USA mechanial, recording or otherwise without prior permission of the publishers. © 2011 K H Head and R Epps Typeset byDatamatics ISBN 978-1904445-69-2 Permission to reproduce extracts from BS 1377 is granted by BSI. British Standards can be obtained USA ISBN 978-14398-6988-8 in PDF or hardcopy formats from the BSI online shop: www.bsigroup.com/Shop or by contacting BSI Customer Services for hardcopies only: Tel: +44 (0)20 8996 9001, Email: [email protected]. All rights reserved. The puNblois hpear ratn do af utthhoisrs phuavbel iucseadt itohenir mbeasty e fbfoer trse inp rporedpuarcinegd t,h is book, but assume no responsibilitsyt oforre adn yi nin jaur yr eatnrdi/eovr adal msaygset etom p,e rosorn tsr oarn psrmopietrttey dfr,om the use or implementation of any methods, instructions, ideas or materials contained within this book. All operatiom in any form or by any means, electronic, should be undertaken in accordance with existing legislation and recognized trade practice. mechanial, recording or otherwise Whilst the information and advice in this book is believed to be true and accurate at the timew oift ghooinugt tpo rpiroesrs ,p theer amuithsosriso ann do pf utbhleis hpeur baclciesphte nros l.egal responsibility or liability for errors or omissions that may have been made. Typeset byDatamatics Printed by tbc FFMro.nintmdda t t e2r.indd 4 96/1/95//22001111 58::5142::2559 PPMM Printed by tbc FM.indd 2 6/9/2011 5:54:25 PM Preface to the third edition This book is the second of a series of three, intended primarily to provide a working manual for laboratory technicians and others engaged in the testing of soils for building and engineering purposes. It is not meant in any way to be used as a substitute for the Standards referred to therein, but to augment their requirements by the provision of step-by-step procedures. This third edition has been revised to take account of the current requirements of BS 1377:1990, including recent amendments, and the impact of Eurocode 7 on sampling and testing practice. This volume relates to Parts 1, 5 and 7 of BS 1377:1990, plus the California bearing ratio (CBR) test in Part 4. We have also included a description of the fall cone test in Chapter 12 (Section 12.10), which is covered by DD EN ISO/TS 17892-6:2004. Reference has also been made to some of the latest ASTM Standards. Under Eurocode 7, only Class 1 samples may be used for undisturbed shear strength and consolidation testing and this has resulted in a greater diversity in the diameter of samples presented for testing. We have tried to address these issues in Chapters 9 and 13, but would welcome any comments that readers may wish to offer. Chapter 8, which describes the laboratory equipment needed to perform the tests, has been amended to include summary descriptions of current electronic measuring instruments, which will be discussed in greater detail in Volume 3. However, the actual test procedures are described in terms of manual observation, recording and calculation, so that the principles can be clearly understood. The section on calibration (Section 8.4) has been revised to update references to current British Standards and to take account of the requirements of BS EN ISO 17025:2005. This includes a brief reference to the requirement to estimate the uncertainty of measurement of testing equipment, which will be addressed in greater detail in Volume 3. A basic knowledge of mathematics and physics has been assumed and the chapters relating to test procedures include some general background information and basic theory. We hope that this will provide an appreciation of the significance and limitations of the tests and an appreciation of certain basic principles which are sometimes difficult to grasp. We hope that this book will continue provide a useful resource that is well used in the laboratory. We would welcome any comments and criticisms from those who use it. K. H. Head Cobham, Surrey R. J. Epps Alton, Hampshire Frontmatter.indd 5 9/15/2011 8:12:59 PM Acknowledgements We would like to thank ELE International for providing many of the photographs included in this Volume. Thanks are also due to the British Standards Institution, Controls Testing Limited, DH Budenberg, Fugro Engineering Services Limited, Geolabs Limited, Geonor AS, Newton Technology Geomechanics Laboratory, Soil Mechanics Limited, Structural Soils Limited, the University of Hertfordshire, the University of Sheffield, the University of the West of England and John Ashworth of Fugro Engineering Services, for permission to reproduce photographs, data and drawings, as acknowledged in the figure captions. We would also like to thank Geo-Design Consulting Engineers for assistance in providing drawings where needed. We are also grateful for assistance provided by individuals working for these organisations, especially Ian Bushell, Tim Gardiner, John Masters, Chris Wallace, Paul Kent, John Ashworth and Peter Keeton. In particular, we would like to thank John Masters for his review of the completed draft. Finally, may we express our thanks to Dr Keith Whittles for providing us with the opportunity of revising and publishing this edition. Frontmatter.indd 6 9/15/2011 8:12:59 PM Contents Preface ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ v Acknowledgements �������������������������������������������������������������������������������������������� vi 8 Scope, equipment and laboratory practice ��������������������������������������������� 1 8�1 Introduction �������������������������������������������������������������������������������������������������� 1 8�2 Laboratory equipment ���������������������������������������������������������������������������������� 4 8�3 Use and care of instruments ���������������������������������������������������������������������� 20 8�4 Calibration �������������������������������������������������������������������������������������������������� 32 8�5 Safety ��������������������������������������������������������������������������������������������������������� 43 9 Preparation of test specimens ��������������������������������������������������������������� 46 9�1 Introduction ������������������������������������������������������������������������������������������������ 46 9�2 Undisturbed specimens from sample tubes ���������������������������������������������� 58 9�3 Undisturbed specimens from block samples ��������������������������������������������� 66 9�4 Use of soil lathe ����������������������������������������������������������������������������������������� 72 9�5 Recompacted specimens �������������������������������������������������������������������������� 75 10 Permeability and erodibility tests ���������������������������������������������������������� 80 10�1 Introduction ������������������������������������������������������������������������������������������������ 80 10�2 Definitions �������������������������������������������������������������������������������������������������� 84 10�3 Theory ������������������������������������������������������������������������������������������������������� 85 10�4 Applications ��������������������������������������������������������������������������������������������� 106 10�5 Permeability by indirect methods ������������������������������������������������������������� 110 10�6 Constant head permeability tests ������������������������������������������������������������ 114 10�7 Falling head permeability tests ���������������������������������������������������������������� 139 10�8 Erodibility tests ���������������������������������������������������������������������������������������� 151 11 California Bearing Ratio ������������������������������������������������������������������������ 165 11�1 Introduction ���������������������������������������������������������������������������������������������� 165 11�2 Definitions ������������������������������������������������������������������������������������������������ 166 11�3 Principles and theory ������������������������������������������������������������������������������� 168 11�4 Applications ��������������������������������������������������������������������������������������������� 173 11�5 Practical aspects of the test ��������������������������������������������������������������������� 175 11�6 Specimen preparation ������������������������������������������������������������������������������ 177 11�7 Penetration test ���������������������������������������������������������������������������������������� 195 Frontmatter.indd 7 9/15/2011 8:12:59 PM 12 Direct shear tests �������������������������������������������������������������������������������� 208 12�1 Introduction �������������������������������������������������������������������������������������������� 208 12�2 Definitions ���������������������������������������������������������������������������������������������� 214 12�3 Theory ��������������������������������������������������������������������������������������������������� 215 12�4 Applications ������������������������������������������������������������������������������������������� 239 12�5 Small shearbox: rapid test (ASTM D 3080) ������������������������������������������� 243 12�6 Large shearbox: rapid test ���������������������������������������� ����������������������������� 263 12�7 Drained strength and residual strength shearbox tests ������������������������� 266 12�8 Vane shear test (ASTM D 4648) ����������������������������������������������������������� 276 12�9 Ring shear test �������������������������������������������������������������������������������������� 285 12�10 Fall cone test ����������������������������������������������������������������������������������������� 295 13 Undrained compression tests ������������������������������������������������������������ 301 13�1 Introduction �������������������������������������������������������������������������������������������� 301 13�2 Definitions ���������������������������������������������������������������������������������������������� 306 13�3 Theory ��������������������������������������������������������������������������������������������������� 307 13�4 Applications ������������������������������������������������������������������������������������������� 321 13�5 Unconfined compression tests �������������������������������������������������������������� 324 13�6 Triaxial compression tests ��������������������������������������������������������������������� 340 13�7 Triaxial test equipment ��������������������������������������������������������������������������� 374 14 Oedometer consolidation tests � ��������������������������������������������������������� 384 14�1 Introduction �������������������������������������������������������������������������������������������� 384 14�2 Definitions ���������������������������������������������������������������������������������������������� 387 14�3 Consolidation theory ����������������������������������������������������������������������������� 389 14�4 Applications ������������������������������������������������������������������������������������������� 416 14�5 Consolidation test (ASTM D 2435) �������������������������������������������������������� 420 14�6 Special purpose tests ���������������������������������������������������������������������������� 455 14�7 Consolidation tests on peat ������������������������������������������������������������������� 463 14�8 Calibration and use of equipment ���������������������������������������������������������� 477 Appendix: Units, symbols, reference data ���������������������������������������������������� 484 B1 Metric (SI) units ������������������������������������������������������������������������������������� 484 B2 Symbols ������������������������������������������������������������������������������������������������� 488 B3 Reference data �������������������������������������������������������������������������������������� 491 Index ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 495 Frontmatter.indd 8 9/15/2011 8:12:59 PM Frontmatter.indd 9 9/15/2011 8:12:59 PM Summary of procedures described in Volume 2 Procedure or Test Section Standard or Reference* Chapter 8 Calibration 8.4 BS Part 1:4.4 Chapter 9 Preparation of undisturbed specimens From tubes: Shearbox and oedometer 9.2.3 BS Part 1:8.6 Compression (38 mm) 9.2.4 BS Part 1:8.3, 8.4 Set of 3 (38 mm) 9.2.5 BS Part 1:8.4 Compression (100 mm) 9.2.6 BS Part 1:8.3 From blocks: Shearbox and oedometer 9.3.1 BS Part 1:8.7 Compression 9.3.2 BS Part 1:8.5.3 Large diameter 9.3.3 BS Part 1:8.5.3 Large shearbox 9.3.4 BS Part 7:5.4 Encapsulation 9.3.5 BS Part 1:8.5.4 Soil lathe 9.4 BS Part 1:8.5.2 Recompacted: Shearbox and oedometer 9.5.3 BS Part 1:7.7 Compression (38 mm) 9.5.4 BS Part 1:7.7 Compaction mould 9.5.5 BS Part 1:7.7.4 Large diameter 9.5.6 BS Part 1:7.7.5 Chapter 10 Permeability—Constant head: Standard permeameter 10.6.3 BS Part 5:5, ASTM D2434 Axially loaded sample 10.6.4 — Large permeameter 10.6.5 (Original author) Filter materials 10.6.6 Lund (1949) Horizontal permeameter 10.6.7 Dept. of Transport (1990) Permeability—Falling head: Standard permeameter 10.7.2 — Sample tube 10.7.3 — Consolidation cell 10.7.4 — Recompacted sample 10.7.5 — Erodibility: Pinhole 10.8.2 BS Part 5:6.2, ASTM D4647 Crumb 10.8.3 BS Part 5:6.3 continued on next page Frontmatter.indd 10 9/15/2011 8:12:59 PM