Table Of ContentManual 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