On the mechanics of structured sands

Abstract

To date the effect of structure on the behaviour of natural sands has focused almost exclusively on the component of bonding, and the effect of fabric has been largely overlooked. The paper describes a detailed investigation of the behaviour of two natural sands by means of triaxial testing over a wide range of pressures. One material had bonding as the principal element of its structure and the other fabric. Following on from a paper of Cuccovillo and Coop which examined the influence of the two structural elements on the small-strain stiffness, the current paper develops a new framework for the yielding and large-strain behaviour. It is suggested that structure should be considered as an element of the nature of a sand in addition to properties such as mineralogy, particle shape and grading. The resulting framework is then capable of encompassing the patterns of behaviour seen for both bonding- and fabric-dominated sands. While bonding results in a cohesive mode of shearing, it is demonstrated that when fabric dominates, the shearing behaviour remains predominantly frictional, although the rates of dilation and peak strengths may be very much higher than for the reconstituted soil at the same stress–volume state. It is shown that it is not necessarily the position of the state of the soil relative to the critical-state line that distinguishes strain-hardening and strain-softening behaviour, but the proximity to the boundary determined in isotropic compression. Jusqu'ici, Peffet de structure sur le comportement des sables naturels s'est axé presque exclusivement sur le composant de liaison; l'effet de la texture a été le plus souvent oublié. Cet exposé décrit une étude détaillée du comportement de deux sables naturels au moyen d'essais triaxiaux dans une vaste fourchette de pressions. Pour Pon des matériaux, le composant de liaison était 1'é1ément principal de sa structure et pour Pautre, c'était sa texture. Faisant suite &grave une étude de Cuccovillo et Coop qui avaient examiné l'influence des deux é1éments structuraux sur la rigidité de petite déformation, cet exposé développe un nouveau cadre de travail pour 1'é1asticité et le comportement de grande déformation. Nous suggérons que la structure devrait &circtre considérée comme un é1ément de la nature d'un sable en plus des propriétés comme la minéralogie, la forme et la taille des particules. Le cadre de travail qui en résulte est aors capable de tenir compte des modéles de comportement constatés pour les sables dominés par le composant de liaison et les sables dominés par la texture. Alors que la liaison donne un mode cohésif de cisaillement, nous démontrons que lorsque la texture domine, le comportement au cisaillement demeure en prédominance frictionnel bien que les taux de dilatation et les résistances de pointe puissent être beaucoup plus élevés que dans le cas de sols reconstitués et ramenés au même état de tension-volume. Nous montrons que ce n'est pas nécessairement la position de l'tat du sol par rapport à la ligne d'état critique qui distingue le comportement de durcissement à l'effort et de ramollissement &grave l'effort mais la proximité de la frontiére déterminée en compression isotrope.