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Evaluating Hydro-Mechanical Properties of Waste Rocks by Considering Scale Effect

Akram Deiminiat

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

Waste rocks extracted from mines are commonly dumped on the ground surface and stored as waste rock piles. They have also been increasingly used as building materials for in site or off site constructions. Determining their hydro-mechanical properties is a critical issue to ensure economic and stable design and construction of infrastructures made from waste rocks. This is also the end objective of this thesis. It is however a challenging task because waste rocks typically have a wide gradation with particles as small as silt and as large as boulders of meters. The literature review shows that there are a large number of publications on the determination of shear strength of rockfill, very few on waste rocks. The literature review also shows that the most published works on waste rocks were mainly realized by following the testing methods developed for and used in civil engineering. Subsequently, ASTM D3080/D3080M-11 has been largely used for direct shear tests, while ASTM D2434-19 largely used for constant head permeability tests of waste rocks. The former stipulates that the specimen width (W) over the minimum particle size (dmax) ratio should not be smaller than 10 while the latter requires that the specimen diameter (D) over dmax ratio must be equal to or larger than 8 or 12, depending on the percentage of coarse particles. These requirements can be easily reached for fine particle materials. But they constitute considerable obstacles for coarse granular materials like gravel, rockfill and waste rocks in laboratory tests. To overcome these difficulties, several scaling down techniques have been proposed and largely used to eliminate the oversized particles. In addition, the minimum required W/dmax ratio of 10 given by ASTM D3080/D3080M-11 has been universally used for direct shear tests, while the minimum required D/dmax ratio of 8 or 12 stipulated by ASTM D2434-19 largely employed for constant head permeability tests even though the validities of these minimum required specimen size over dmax ratios have never been clearly shown. The first specific objective (SO) is to identify a reliable scaling down technique that can be used to correctly determine the shear strength of coarse particle materials, such as gravel, rockfill and waste rocks. The second SO is to validate the minimum required specimen size ratio of ASTM D2434-19 and to identify large enough ratios that can be used to determine reliable saturated hydraulic conductivity. To reach these SOs, a literature review was first performed on published data obtained by direct shear tests on coarse granular materials. It is found that the methodology used by previous researchers to validate or invalidate the scaling down techniques in estimating the shear strength of field materials is inappropriate. The reliability of all the scaling down techniques remains unknown even though the parallel scaling down technique has been the most popular and the most used one. In addition, the minimum required W/dmax ratio of 10 stipulated in ASTM D3080/D3080M-11 for direct shear tests is not large enough to eliminate specimen size effect (SSE). The reliability of all the previously published results obtained by using this ratio can become questionable. In order to know what is the minimum required W/dmax ratio to eliminate the SSE, a series of direct shear tests have been conducted using three shear boxes of different sizes. The results show once again that the minimum required W/dmax ratio of 10 is not large enough to eliminate SSE. Rather, a W/dmax ratio equal to or larger than 60 seems to be large enough to avoid SSE in the direct shear tests. This ratio was then applied to evaluate the reliability of scaling down techniques through a series of direct shear tests performed on “field” samples and scaled down samples with different dmax, prepared by applying scalping and parallel scaling down techniques. The friction angles of scaled down samples having dmax values smaller than that of field samples were used to establish predictive equations between the friction angle and dmax for each scaling down technique. The equations were later used to predict the friction angles of the field samples. The comparisons between the measured and predicted friction angles of field samples indicate that scalping scaling down technique can be used to predict the friction angles of field samples, and the parallel scaling down technique fails to predict the friction angles of field samples. While the previous results showed interesting insight to the validity or invalidity of the scaling down techniques, one notes that the field samples were limited to have a dmax value of 5 mm in order to meet the minimum required W/dmax ratio of 60 with the special large direct shear box of 30 cm wide. A raised question is how obtain the friction angle of field samples with a dmax value larger than 5 mm. To answer this question, an equation based on available experimental results was proposed between the friction angles normalized by the friction angle of large enough specimens and W/dmax ratio. This equation along with the friction angle obtained with a specimen having a W/dmax < 60 can then be used to give a prediction to the friction angle of the same samples having W/dmax = 60. In order to test if the proposed method works, one took use of the theory in which the repos angle of a material corresponds to the internal friction angle of the same material in the loosest state. A series of direct shear tests were thus performed by slowly placing the samples in shear boxes. Another series of pile tests were conducted to obtain the repos angle of the same samples. The comparisons between the measured and predicted friction angles indicate that the proposed method can be used to predict the friction angles of coarse granular materials having a dmax value larger than 5 mm. Similarly to the analysis of mechanical properties of coarse granular materials, an analysis was also made on existing data of saturated hydraulic conductivity. It is noted that almost all the previous investigations were made by using the minimum required D/dmax ratio of 8 or 12 specified by ASTM D2434-19 for constant head permeability tests of granular materials even though the reliability of the minimum required D/dmax ratio of 8 or 12 has never been tested. To further study if the minimum required D/dmax ratio of 12 is large enough to avoid any SSE and to identify the minimum required D/dmax ratio to avoid any SSE, constant head permeability tests were performed by using four columns of different sizes on four samples with different dmax values. The D/dmax ratios of tested specimens vary between 13 and 252. The results showed again that the minimum required D/dmax ratio of 8 or 12 is too small to avoid SSE in constant head permeability tests. Rather, the experimental results tend to show that a value of D/dmax between 170 and 252 should be large enough to eliminate the SSE.

Résumé

Les roches stériles extraites des mines sont généralement entreposées en surface sous forme de haldes à roches stériles. Elles sont utilisées de plus en plus comme matériaux de construction pour des constructions sur site ou hors site minier. La détermination de leurs propriétés hydromécaniques est cruciale pour assurer une conception et construction économique et stable des infrastructures faites de roches stériles, qui constitue l'objectif final de cette thèse. Il s'agit cependant d'une tâche difficile car les stériles ont généralement une gradation largement étalée avec des particules aussi petites que des silts et aussi grandes que des blocs en mètres. La revue de la littérature montre qu'il existe un grand nombre de publications sur la détermination de la résistance au cisaillement des remblais rocheux, mais très peu sur les stériles. La revue de la littérature montre également que la majorité des travaux publiés sur les stériles ont été réalisés en suivant des méthodes d'essai développées en génie civil. Par conséquent, la norme ASTM D3080/D3080M-11 a été largement utilisée dans les essais de cisaillement direct sur des roches stériles alors que la norme ASTM D2434-19 a été largement utilisée pour les essais de perméabilité à charge hydraulique constante. La première stipule que le ratio de la largeur d'un échantillon (W) par rapport à la taille minimum des particules (dmax) ne doit pas être inférieur à 10, tandis que la seconde exige que le ratio du diamètre d'un échantillon (D) par rapport au rapport à la dmax soit égal ou supérieur à 8 ou 12, dépendamment du pourcentage des particules grossières. Ces exigences peuvent être atteintes facilement pour les matériaux à particules fines. Mais elles constituent des obstacles considérables pour les matériaux granulaires grossiers comme le gravier, les remblais rocheux et les roches stériles lors des essais en laboratoire. Pour surmonter ces difficultés, plusieurs techniques en échelle réduite ont été proposées et largement utilisées en éliminant les particules trop grandes. En plus, le ratio minimum requis de 10 pour le W/dmax donné par l'ASTM D3080/D3080M-11 a été utilisé dans presque tous les essais de cisaillement direct, tandis que le rapport minimum requis de 10 ou de 12 pour le D/dmax stipulé par l'ASTM D2434-19 a été largement utilisé dans les essais de perméabilité à charge hydraulique constante, même si la validité de ces rapports minimum requis n'est jamais clairement démontrée. Le premier objectif spécifique (OS) de cette thèse est d'identifier une fiable technique en échelle réduite qui peut être utilisée pour déterminer correctement la résistance au cisaillement des matériaux à particules grossières, tels que le gravier, les remblais rocheux et les roches stériles. Le deuxième OS est de vérifier la validité du rapport minimum requis de la norme ASTM D2434-19 pour les échantillons et d'identifier un rapport minimum requis suffisamment grand qui peut être utilisé pour obtenir une mesure fiable de la conductivité hydraulique saturée. Pour atteindre ces OSs, une revue de littérature a d'abord été réalisée sur les résultats publiés et obtenus par des essais de cisaillement direct sur des matériaux granulaires grossiers. On a constaté que la méthodologie utilisée antérieurement par les chercheurs pour vérifier la validité ou invalidité des techniques en échelle réduite dans l'estimation de la résistance au cisaillement des matériaux de terrain est inappropriée. La fiabilité de toutes les techniques en échelle réduite reste inconnue, même si la technique en échelle réduite parallèle est la plus populaire et la plus utilisée. En plus, le rapport minimum requis de 10 pour le W/dmax stipulé dans la norme ASTM D3080/D3080M-11 pour les essais de cisaillement direct n'est pas assez grand pour éliminer l'effet de taille d'échantillon (ETE). La fiabilité de tous les résultats publiés précédemment et obtenus en utilisant ce rapport minimum requis devient discutable. Afin de savoir quel est le rapport minimum requis de W/dmax pour éliminer l'ETE, une série d'essais de cisaillement direct a été réalisée en utilisant trois boîtes de cisaillement direct de tailles différentes. De nouveau, les résultats montrent que le rapport minimum requis de 10 pour le W/dmax n'est pas assez grand pour éliminer l'ETE. En revanche, un rapport de W/dmax égal ou supérieur à 60 semble être suffisamment grand pour éviter l'ETE dans les essais de cisaillement direct. Ce rapport a été appliqué ensuite pour évaluer la fiabilité des techniques en échelle réduite par une série d'essais de cisaillement direct réalisés sur des échantillons de « terrain » et des échantillons d'échelle réduite avec différentes dmax, préparés en appliquant les techniques en échelle réduite tronquée et parallèle. Les angles de frottement des échantillons d'échelle réduite ayant des valeurs de dmax inférieures à celles des échantillons de terrain ont été utilisés pour établir des équations prédictives entre l'angle de frottement et la dmax pour chaque technique en échelle réduite. Ces équations ont ensuite été utilisées pour prédire les angles de frottement des échantillons de terrain. Les comparaisons entre les angles de frottement mesurés et prédits des échantillons de terrain indiquent que la technique en échelle réduite tronquée peut être utilisée pour prédire les angles de frottement des échantillons de terrain, et que la technique en échelle réduite parallèle ne permet pas de prédire les angles de frottement des échantillons de terrain. Bien que les résultats précédents montrent un aperçu intéressant de la validité ou de 'invalidité des techniques en échelle réduite, on constate que les échantillons de terrain ont été limités à une valeur de 5 mm pour la dmax afin de respecter le rapport minimum requis de 60 pour le W/dmax avec la grande boîte de cisaillement direct spéciale de 30 cm de largeur. La question qui se pose est comment obtenir l'angle de frottement des échantillons de terrain dont la valeur de dmax est supérieure à 5 mm sans appliquer les techniques en échelle réduite. Pour répondre à cette question, une équation basée sur les résultats expérimentaux disponibles a été proposée entre les angles de frottement normalisés par l'angle de frottement des échantillons suffisamment grands et le ratio de W/dmax. Avec cette équation et l'angle de frottement mesuré avec un échantillon ayant un W/dmax < 60, l'angle de frottement du même échantillon à W/dmax = 60 peut être prédit. Afin de tester la validité de cette méthode proposée, on a profité de théorie selon laquelle l'angle de repos d'un matériau correspond à l'angle de frottement interne du même matériau à l'état le plus lâche. Une série d'essais de cisaillement direct a donc été réalisée en plaçant lentement les matériaux dans des boîtes de cisaillement pour obtenir un échantillon à l'état le plus lâche. Une autre série d'essais en tas a été réalisée pour obtenir l'angle de repos des différents échantillons. Les comparaisons entre les angles de frottement mesurés et prédits indiquent que la méthode proposée peut être utilisée pour prédire les angles de frottement des matériaux granulaires grossiers ayant une valeur dmax supérieure à 5 mm. Tout comme l'analyse des propriétés mécaniques des matériaux granulaires grossiers, une analyse a également été faite sur les mesures existantes de conductivité hydraulique saturée. Presque toutes les études antérieures ont été réalisées en utilisant le rapport minimum requis de 8 ou 12 pour le D/dmax spécifié par l'ASTM D2434-19 pour les essais de perméabilité à charge hydraulique constante des matériaux granulaires, même si la fiabilité du rapport minimum requis de 8 ou 12 pour le D/dmax n'a jamais été testée. Pour étudier si le rapport minimum requis de 8 ou 12 est suffisamment grand pour éviter tout ETE et pour identifier le rapport minimum requis de D/dmax pour éviter tout ETE, des essais de perméabilité à charge constante ont été réalisés en utilisant quatre colonnes de dimensions différentes sur quatre échantillons avec différentes valeurs de dmax. Les rapports de D/dmax des échantillons testés varient entre 13 et 252. Les résultats montrent de nouveau que le rapport minimum requis de 12 est trop petit pour éviter l'ETE dans les essais de perméabilité à charge hydraulique constante. Les résultats expérimentaux montrent plutôt qu'une valeur de D/dmax comprise entre 170 et 252 devrait être suffisamment grande pour éliminer l'ETE.
Department: Department of Civil, Geological and Mining Engineering
Program: Génie Minéral
Academic/Research Directors: Li Li, Robert P. Chapuis, Thomas Pabst
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10263/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 19 Sep 2022 11:04
Last Modified: 25 Nov 2022 10:14
Cite in APA 7: Deiminiat, A. (2022). Evaluating Hydro-Mechanical Properties of Waste Rocks by Considering Scale Effect [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10263/

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