Yielding and pre-failure deformation of structured sands

Abstract

Many natural sands have a structure that is imparted to them during their geological life and that significantly modifies their pre-failure behaviour when compared with that of the reconstituted material. Unlike clays, for which emphasis has been given to both the bonding and fabric components of structure, for sands structure has generally been simply identified with bonding, whereas the effects of fabric have often been overlooked. An understanding of the way in which these components of structure influence the yielding and stiffness of these materials is required to formulate constitutive models that can adequately predict their response. The paper examines the pre-failure behaviour of two structured sands in triaxial compression performed over a wide range of pressures. Since yielding occurred at small strains, laboratory techniques were developed to produce reliable and accurate determinations of stiffness ranging from 1 microstrain to failure. The influence of structure on the shear stiffness was investigated by comparing the behaviour of intact and reconstituted soils after accounting for differences in state. To explain how bond degradation developed, the study focused in particular on the shear behaviour between yielding and failure. The bond degradation resulted in a progressive transformation of the structured soil into a frictional material, giving rise to changes in the yield stress and shear stiffness that contrasted with the strain-hardening behaviour of the unbonded sands. As bonding degraded, the variation of the shear stiffness with state was seen to depend on which structural feature was predominant. De nombreux sables naturels ont une structure qui leur est impartie pendant leur vie géologique et qui modifie considérablement leur comportement avant rupture par comparaison à celui de matériaux reconstitués. Alors qu'on accorde autant d'importance à l'adhésion qu'à la contexture des argiles, on a tendance à assimiler la structure des sables à la simple notion d'adhésion, en ignorant souvent les effets de la texture. Il faut pouvoir comprendre l'influence que les éléments de la structure exercent sur l'élasticité et la rigidité de ces matériaux pour pouvoir prédire leur réaction de façon fiable. L'article examine le comportement avant rupture de deux sables structurés dans des essais de compression triaxiale effectués à une grande variété de pressions. Vu que la limite élastique est atteinte à de petites contraintes, on a mis au point des techniques de laboratoire qui permettent de déterminer de façon fiable et précise la rigidité, depuis la microcontrainte jusqu'à la rupture. On a examiné l'influence de la structure sur la rigidité au cisaillement en comparant le comportement de sols non remaniés à celui de sols reconstitués, après avoir tenu compte des différences d'état. Pour expliquer la dégradation progressive de l'adhésion, l'étude s'est concentrée plus particulièrement sur le comportement de cisaillement entre la limite élastique et la rupture. La dégradation de l'adhé- sion entraîne la transformation progressive du sol structuré en un matériau sans cohésion, donnant lieu à une modification de la limite d'élasticité et de la rigidité au cisaillement, par contraste au rhéo-durcissement des sables non adhérents. A mesure que l'adhésion se détériore, on constate que la variation de la rigidité au cisaillement en fonction de l'état dépend de la caractéristique structurale prédominante.