Effect of the fines content and its characteristic grain shape on the undrained strength of loose silty sands

Static liquefaction of loose saturated granular soils has caused several catastrophic failures of earth fills, tailings storage facilities and waste dumps. It is well known that the liquefaction potential strongly depends on state parameters. However, the influence of grains’ intrinsic properties has attracted less attention. In this paper, comprehensive experimental work on non-plastic silty sands is presented. The main objective is to study the effects of the characteristic grain shape of the fines content (FC) on the undrained behavior of loose cohesionless silty sandy materials. Samples of Ottawa sand mixed with varied amounts of fines were prepared, to obtain the common FC scenarios of underfilled, transitional and overfilled packings. Two types of fines were used: glass beads and mine tailings. Constant volume and constant stress ring shear tests were carried out at large shear strains of around 100%. The results show that transitional cases exhibit higher residual strength under constant volume conditions. Moreover, data on mixtures indicate that angular fines content significantly increases the critical friction angle, while it decreases when rounded FC are used. The same trend is observed in the undrained (i.e., constant volume) peak and critical strengths. The results help to understand the effect of intrinsic characteristics of soils on static liquefaction potential. The main application is the assessment of the undrained behavior of granular mixtures that can drastically vary their properties in industrial processes, such as mine waste production.

Abstract

La liquéfaction statique de sols granulaires lâches et saturés a provoqué plusieurs défaillances catastrophiques de remblais, de parcs à résidus miniers et de terrils. Il est bien connu que le potentiel de liquéfaction dépend fortement des paramètres d'état. Cependant, l'influence des propriétés intrinsèques des grains a été moins étudiée. Dans cet article, des travaux expérimentaux sur des sables silteux non plastiques sont présentés. L'objectif principal est d'étudier les effets de la forme caractéristique des grains de la teneur en fines (FC) sur le comportement non drainé de matériaux sableux limoneux lâches. Des échantillons de sable d'Ottawa mélangés à diverses quantités de fines ont été préparés, pour obtenir les scénarios typiques de FC correspondant aux empilements sous-remplis, transitoires et sur-remplis. Deux types de fines ont été utilisés : des billes de verre et des résidus miniers. Des essais de cisaillement annulaire à volume constant et à contrainte constante ont été réalisés à des déformations de cisaillement de 100 %. Les résultats montrent que la teneur en fines angulaires augmente significativement l'angle de frottement critique, tandis qu'elle diminue avec l'utilisation de fines arrondis. La même tendance est observée pour les résistances au pic et critiques non drainées. Les résultats aident à comprendre l'effet des propriétés des sols sur le potentiel de liquéfaction statique. La principale application est l'évaluation du comportement non drainé des mélanges granulaires dont les propriétés peuvent varier considérablement dans les procédés industriels, tels que la production de déchets miniers.