Influence de la taille et de la gradation des particules sur la résistance au cisaillement et le comportement dilatant des matériaux granulaires

Résumé : Cette étude examine l'impact de la taille et de la gradation de particules sur les corrélations théoriques et empiriques existantes les plus connues entre la résistance au cisaillement et le comportement dilatatant des matériaux granulaires en condition de déformation plane et en compression triaxiale drainée. À cette fin, 276 tests de cisaillements symétriques directs et 35 tests de compressions triaxiales drainées ont été menés sur des échantillons composés de billes de basalte (particules rondes), et de sables constitués de particules angulaires (sable de Péribonka et sable d'Eastmain) sur une échelle de 63 µm à 2000 µm afin d'évaluer leur résistance au cisaillement et leur comportement de dilatance sur une vaste échelle de pressions normales et de densités relatives initiales. Premièrement, la fiabilité et l'applicabilité des limites de mesure à l’aide de tests physiques de cisaillements symétriques directs dans l'interprétation de la résistance au cisaillement frictionnel en déformation plane des matériaux granulaires ont été discutées et confirmées par l'usage du code informatique DEM, SiGran. L'accent a été particulièrement mis sur la validation du modèle DEM au moyen de comparaison des résultats des simulations DEM avec leurs équivalents physiques à une échelle macro. Les résultats virtuels DSA sont abordés du point de vue de la coaxialité entre les principales tensions et les principales directions des paliers de pression ainsi que de la déviation de la direction d'extension nulle à partir de la direction horizontale. Les résultats numériques fournissent également des données quantitatives sur les différentes formes d'énergie consommées durant le cisaillement confirmées par d'autres résultats physiques et numériques publiés. Sur la base des postulats précédents, un examen minutieux des résultats des essais de cisaillements directs et de données issues de la littérature a été accompli afin d'évaluer la fiabilité des formules empiriques bien connues de Bolton et Collins et al. avec leurs constantes couramment employées en condition de déformation plane. L'étude montre qu'une application des relations empiriques de force-dilatation de cisaillement avec les constantes proposées par Bolton (1986) et Collins et al. (1992) aux sables ayant une distribution de taille de particules différente peut conduire à surestimer leurs valeurs en terme de force de cisaillement. Dans cette étude, les coefficients des équations de Bolton et Collins et al. ont donc été ajustée afin de prendre en compte les caractéristiques des particules, en particulier le diamètre médian, D50. De manière analogue, les effets microstructuraux imposés par la géométrie interne des particules (par exemple la taille, la forme et la gradation des particules) sur la relation tension-dilatation très connue, celle de Rowe (1962), et son ajustement empirique en condition triaxiale drainée ont été examinés dans cette étude. Une comparaison des prédictions des formules proposées avec les données de force de cisaillement issues de la littérature fournit de nombreuses preuves en faveur des contraintes mises en place au sein des relations existantes de force-dilatation de cisaillement en condition de déformation plane et triaxiale. Ces comparaisons prouvent également que la prise en compte de la taille des grains conduit à des résultats plus tangibles que lorsque la taille de la particule n'est pas considérée. Les formules de force-dilatation ajustées peuvent se révéler avantageuses pour évaluer indépendamment la cohérence des forces de cisaillement déterminées expérimentalement et pour introduire des lois d’écoulement plus précises dans les analyses géotechniques analytiques et numériques.

Abstract : The present study examines more closely the potential impact of particle size and gradation on the most famous existing theoretical and empirical correlations between the shear strength and the dilation behavior of granular materials in plane strain and drained triaxial compression conditions. For this purpose, 276 symmetrical direct shear and 35 drained triaxial compression tests have been carried out on samples made up of basalt beads (rounded particles), and sands consisting of angular particles (Péribonka sand and Eastmain sand) in the range of 63 µm to 2000 µm to evaluate their shear resistance and dilation behavior over a wide range of normal pressures and initial relative densities. First, the reliability and applicability of boundary measurements in physical symmetrical direct shear tests to interpret the plane strain frictional shearing resistance of granular material have been discussed and confirmed using DEM computer code SiGran. Particular emphasis is placed on the validation of the DEM model by comparing the results of DEM simulations with their physical counterparts at the macro-scale. The virtual DSA results are discussed in terms of the coaxiality between the principal stresses and the principal strains increments directions as well as the deviation of the zero extension direction from the horizontal direction. The numerical results also provide quantitative data on different forms of energy consumed during shearing confirming other published physical and numerical results found in the literature. Following the assumptions above, a close scrutiny of symmetrical direct shear test results and strength and dilation data from the literature have been done to evaluate the reliability of well-known empirical Bolton’s and Collins et al.’s formulations with their commonly used constants in plane strain condition. The study shows that an application of empirical shear strength-dilation relationships with the constants proposed by Bolton (1986) and Collins et al. (1992) to sands with different particle-size distribution may strongly over-predict their shear strength values. In this study, the coefficients of Bolton’s and Collins et al.’s equations have been, therefore, adjusted to account for particle characteristics, in particular for D50. Similarly, the microstructural effects imposed by internal particle geometry (e.g. particle-size, particle shape, and particle gradation) on most popular stress-dilatancy relationship of Rowe (1962), and its empirical adjustment in drained triaxial condition have been investigated in this study. A comparison of the predictions by the proposed formulas with shear strength data from the literature provides evidences in support of the implemented constraints into existing shear strength-dilation relations in plane strain and drained triaxial conditions. These comparisons also proves that accounting for the grain size yields more authentic results than when particle size is not considered. The adjusted strength-dilation formulas may be beneficial for independently assessing the consistency of the experimentally-determined shear strengths, and introducing more refined flow rules into analytical and numerical geotechnical analyses.