Undrained response of mining sand with fines contents - CiteSeerX

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING  Volume 1, No 4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services 

Research article 

ISSN   0976 – 4399 

Undrained response of mining sand with fines contents  Thian S. Y, Lee C.Y  Associate Professor, Department of Civil Engineering, Universiti Tenaga Nasional, Malaysia  [email protected]  ABSTRACT  This  paper  describes  an  experimental  study  on  mining  sand  containing  plastic  fines  to  investigate pre­failure and failure characteristics of suc mixtures under monotonic undrained  compression triaxial tests. The results reveal that undrained shear strength, soil modulus and  pore  pressure  decrease  when  clay  content  was  increased.  It  was  also  found  that  the  tested  materials were overconsolidated by the fact that normalized shear strength and soil modulus  depends on initial confining stress.  Keywords:  Mining sand, fines, shear strength, pore pressure, soil modulus  1. Introduction  The  investigation  of  the  response  of  clean  sands  have  been  extensively  studied  under  laboratory and field conditions. These types of sand include Ticino, Ottawa and Monterey #0  sands  (Hardin  and  Richart,  1963,  Chung  et  al.  1986,  Bolton  1986,  Lo  Presti  1987  and  Lo  Presti  1992).  However,  natural  soil  consists  of  both  sand  and  fines  in  various  proportions.  The characteristics of shear strength could be affected by the inclusion of fines in sand. Shen  et  al.  (1977)  indicated  that  the  fines  between  sand­to­sand  contacts  increases  the  soil  resistance to shearing. Several studies have shown that as fines content increases, the steady­  state  strength  at  the  same  void  ratio  decreases  initially,  followed  by  an  increase  in  shear  strength with further increase in fines content of more than 30% (Pitman et al.1994, Zlatovic  and Ishihara, 1995 and Thevanayagam et al.1996).  The  objective  of  this  paper  is  to  investigate  the  pre­failure  and  failure  characteristics  of  mining sand containing plastic fines under monotonic undrained triaxial tests. The effects of  fines on the shear strength, soil modulus and pore pressure are presented and discussed.  2. Materials and Method  2.1 Soil Constituents Selected  In this  experimental  study,  mining  sand  was  selected as  the  coarser grain  matrix,  while  the  finer grain matrix was either kaolin clay or silt. Figure 1 shows the grain­size distributions of  mining sand,  silt and  kaolin  clay used  in this  study.  The  sand was  retrieved  from  a  mining  area with specific  gravity of 2.63. It has coefficient of uniformity of 2.08 and coefficient of  curvature of 1.27 and it is classified as poorly  graded. The mining sand has a minimum dry  density of 1413kg/m 3  and maximum dry density of 1565 kg/m 3 .  The  kaolin  clay  used  has  a  liquid  limit  of 61%, plastic  limit  of 34%, plastic  index  of  27%,  specific  gravity  of  2.69,  optimum  moisture  content  of  38%  and  maximum  dry  density  of  1350kg/m 3 . The silt used in this study is also defined as high purity crystalline quartz filler,

844 

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING  Volume 1, No 4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services 

Research article 

ISSN   0976 – 4399 

with specific gravity of 2.65 and pH of 5.6 ~ 7.5. This is a nonplastic silt that is composed of  SiO2  (99.8%), with Al2O3  (0.05%) and Fe2O3  (0.01%) as secondary components. 

Figure 1: Sieve analysis for mining sand, silt and Kaolin clay  2.2 Soil Sample Preparation and Testing Procedures  The  sand  with  different  fines  contents  were  reconstituted  in  the  laboratory  by  mixing oven  dried  mining  sand  with  either  silt  or  clay  fines.  The  mining  sand  and  fines  were  mixed  manually  in  a  dry  state  thoroughly  until  the  mixtures  were  observed  to  be  visually  homogeneous.  The  soil  specimens  were  prepared  by  dry­tamping  method,  and  it  was  performed by compacting the mixture in three equal layers to a required relative density. The  diameter  and  height  of  every  soil  sample  were  measured  to  be  50mm  and  100mm,  respectively.  The  mining  sand  was  mixed  with  different  amounts  (10%  ~  40%)  of  fines  to  obtain  different  mixtures.  Saturation  of  soil  specimens  was  achieved  by  applying  cell  and  back  pressures  and  full  saturation  was  assumed  to  have  taken  place  when  Skempton’s  B­  parameter was greater than 0.95.  Soil mixtures  were  isotropically  consolidated under  confining  pressures of 200kPa  after  the  saturation stage had completed. The specimens were then sheared under undrained condition  (CIU) at the rate of 0.4 mm/min up to an axial strain of 25%. The testing procedures and data  acquisition were performed by using GDSLAB software and GDS Data Acquisition System.  3. Test Results  Figure  2  shows  the  stress­strain  and  pore  pressure  behaviour  of  mining  sand  with  10%  silt  and clay fines. The sample with 10% silt fines content has higher deviator stress than sample  with  10%  clay  fines  content,  which  indicates  that  silt  fines  is  enhancing  the  dilatancy  and  shear  strength  of  sand  when  sand particles  are  in  close  contact  during  shearing  process.  On  the  other  hand,  sample  with  10%  clay  fines  content  exhibits  higher  positive  excess  pore  pressure  than  sample  with  10%  silt  fines  content,  which  means  that  the  behaviour  of  sand  with clay fines is more compressive.

845 

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING  Volume 1, No 4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services 

Research article 

ISSN   0976 – 4399 

a. Stress –strain curves 

b. Pore pressure curves 

Figure 2: CIU results of mining sand with 10% fines content  Figure 3 shows that the shear strength of sand­silt and sand­clay decrease when fines content  increases  from  10%  to  20%.  The  strain  softening  behaviour  in  sand­silt  is  more  significant  than  in  sand­clay.  When  silt  content  is  considerably  low  (20%  or  less),  the  silt  particles  occupy spaces in between sand particles and increase particle interlocking, which causes the  soil  to  be  dilative  (Salgado  et  al.  2000).  However,  the  sand  particles  do  not  have  contacts  with  each  other  when  clay  fines  is  present  as  static  stresses  are  not  effectively  transferred  through clay fines (Carraro et al. 2009).  Sample with 20% clay fines content behave in a more contractive manner as indicated by the  increase  in  positive  excess  pore  pressure.  Sample  with  10%  silt  fines  content  also  exhibit  contractive  behaviour during  initial  shearing  and  followed  by  slight  dilation.  Both  the  clay  and silt fines affect the excess pore pressure development in samples. 

a. Stress­strain curves 

b. Pore pressure curves 

Figure 3: CIU results of mining sand with 20% fines content  Stress­strain and excess pore pressure curves for samples with 30% clay and silt fines content  are illustrated in Figure 4. As fines content increases in mining sand, sample with silt content  indicates contractive behaviour with only slight dilation. A primarily floating fabric develops 846 

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING  Volume 1, No 4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services 

Research article 

ISSN   0976 – 4399 

when  silt  fines  content  is  greater than  15%  is  present  in  sand,  causing  the  dilatancy  in  soil  sample to be suppressed (Salgado et al. 2000). This could be explained by the soil fabric that  gets progressively weaker when silt particles keep the sand particles from each other.  According  to Salgado et al.(2000),  silt fines  begins  dominate  the  behaviour of  soil  samples  when silt content is 15%, but silt fines start to dominate the soil response when silt content is  20%. 

a. Stress­strain curves 

b. Pore pressure curves 

Figure 4: CIU results of mining sand with 30% fines content  Figure  5  shows  the  deviator  stress  decreases  considerably  when  fines  content  increases  to  40%.  However,  it  is  interesting  to  note  that  the  mining  sand  with  40%  fines  content  only  generates  positive  pore  pressures  due  to  contractive  soil  response.  The  strain  softening  behaviour in sample with 40% silt fines content is suppressed with only positive excess pore  pressure built up in soil sample. 

a. Stress­strain curves 

b. Pore pressure curves 

Figure 5: CIU results of mining sand with 40% fines content

847 

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING  Volume 1, No 4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services 

Research article 

ISSN   0976 – 4399 

The soil friction angle and cohesion of mining sand with different fines content are shown in  Figure  6.  The  soil  friction  angle  of  samples  with  silt  fines  content  is  higher  than  that  of  samples with clay fines content and it decreases as fines content increases from 10% to 40%.  As expected, the soil cohesion of sample with clay fines content is higher than that of sample  with silt fines content. The soil cohesion increases with increasing fines contents. 

a. Soil friction angle 

b. Soil cohesion 

Figure 6: Soil parameters for mining sand with fines content  Figure  7  shows  the  Skempton’s  parameter,  A  for  sample  with  clay  fines  content  increases  significantly  as  clay  fines  increase  from  10%  to  40%,  implying  it  has  major  effect  in  pore  pressure  development.  On  the  other  hand,  the  silt  fines  in  soil  sample  appear  to  have  less  effect on the A values as silt fines increases from 10% to 40%. 

Figure 7: Variation of Skempton’s parameters, A with fines content  The  strain­dependent  soil  stiffness  is  our  important  pre­failure  property  which  controls  the  soil deformation characteristics. The soil secant modulus at 50% shear strength, E50, is used  to  illustrate  the  deformation  characteristics  of  the  soil  mixtures.  The  secant  modulus  is  usually used in elastic­plastic models of soil materials. Figure 8 shows the normalised secant  modulus  for  sample  with  clay  fines  content  that  are  subjected  to  different  preconsolidation  pressures.  The  normalised  secant  modulus of sample  with  clay  fines  content  increases  with

848 

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING  Volume 1, No 4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services 

Research article 

ISSN   0976 – 4399 

increasing overconsolidation ratios (OCR) because high preconsolidation pressure causes the  soil  particles  to  be  densely  packed  together  and  therefore  stiffer.  However,  the  normalised  secant  modulus  decreases  as  clay  fines  increases.  This  could  be  the  result  of  more  compressible clay fines that is entrapped between sand particles, and they deform and reshape  themselves  during  isotropic  compression,  which  causes  sand  particles  to  be  further  apart.  Therefore, the static stresses are not effectively transferred through clay fines (Carraro et al.  2009). 

Figure 8: Normalised secant modulus for mining sand with different OCR and clay fines  content  (Thian and Lee, 2010)  Figure 9 shows the variation of normalised peak strength of soil samples with OCR and clay  fines  content.  The  normalised  peak  strength  decreases  as  clay  fines  and  OCR  increase.  However, the declining rate of normalised peak strength decreases when clay fines content is  more  than  20%  and  OCR  is  greater  than  3. The  normalised  peak  strength  is  essential to be  analysed because it is associated with initiation of flow deformation (Murthy et al. 2007 and  Shelly et al. 1997). 

Figure 9: Normalised peak strength for mining sand with different OCR and clay fines  content  (Thian and Lee, 2010)

849 

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING  Volume 1, No 4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services 

Research article 

ISSN   0976 – 4399 

Figure  10  shows  the  effect  of  clay  fines  on  the  normalised  maximum  excess  pore  pressure  generation.  The  normalised  maximum  negative  excess  pore  pressure  developed  in  samples  with  less  than  10%  clay  fines  indicates  dilatant  response.  Positive  excess  pore  pressure  developed  in  sample  with  clay  fines  content  implies  contractive  behaviour  when  the  clay  fines content is more than 20%. Maximum positive excess pore pressure generation increases  as  clay  fines  content  increases  in  soil  sample.  The  inclusion  of  clay  fines  weakens  the  soil  structure because  clay  fines  acts  as  lubricant  and there is  an  increase  in  sand  skeleton  void  ratio  (Thian  and  Lee,  2010).  It  also  appears  that  the  soil  samples  have  lower  normalised  maximum excess pore pressure generation when OCR increases. Its declining rate decreases  when OCR is greater than 2., 

Figure 10: Variation of normalised maximum excess pore pressure with OCR and clay fines  content  (Thian and Lee, 2010)  4. Conclusion  Several conclusions may be drawn based on this experimental study:  1.  Sand­silt  exhibits  higher  deviator  stress  than  sand­clay  with  fines  content  ranges  from 10% to 40%.  2.  Sand­clay  tends  to  exhibit contractive  behaviour,  while  dilative behaviour  is  more  significant for sand­silt.  3.  Clay  content  in  sand  has  significant effect  on Skempton’s  parameter, A, while  silt  content appears to have less effect on the A values.  4.  Soil  friction  angle of sand­silt  is  higher  than  that  of  sand­clay at  all  fines  content,  and  both  decreases  with  increasing  fines  content.  As  expected,  the  soil  cohesion  increases  with  increasing  fines  content  and  the  effect  is  more  significant  in  sand­  clay.

850 

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING  Volume 1, No 4, 2011  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services 

Research article 

ISSN   0976 – 4399 

5. References  1.  Bolton, M.D. (1986) “The strength and dilatancy of sands,” Geotechnique 36(2), pp.  65 – 78.  2.  Carraro, J.A.H., Prezzi, M. and Salgado, R. (2009) “Shear strength and stiffness of  sands  containing  plastic  or  nonplastic  fines,”  J.  Geotech.  Geoenviron.  Engrg.,  135(9), pp. 1167 – 1178.  3.  Chung, R.M., Yokel, F.Y. and Drnevich, V.P. (1984) “Dynamic properties cement  treated soils,” Highway Research Record 379, pp. 39 – 51.  4.  Hardin, B.O. and Richart, F.E. Jr. (1963) “Elastic wave velocities in granular soils,”  Journal  of  Soil  Mechnanics  and  Foundations  Divisions,  Proceedings  of  the  American Society of Civil Engineers, 89, (SMI), pp. 33 – 65.  5.  Lo  Presti  D.C.F.,  Pedroni  S.  and  Crippa  V.  (1992)  “Maximum  dry  density  of  cohesionless  soils  by  pluviation  and  by  ASTM  D 4253­83:  A  comparative  study,”  Geotechnical Testing Journal, 15(2), pp. 180 – 189.  6.  Ovando­Shelley E. and Perez B.E. (1997) “Undrained behaviour of clayey sands in  load controlled triaxial tests,” Geotechnique, 47(1), pp. 97 – 111.  7.  Pitman, T.D., Robertson, P.K. and Sego, D.C., “Influence of fines on the collapse of  loose sands,” Canadian Geotechnical Journal, 31, pp. 728 – 739.  8.  Salgado, R., Bandini, P. and Karim, A. (2000) “Shear strength and stiffness of silty  sand,”  Journal  Geotechnical  and  Geoenvironment  Engineering.,  126(5),  pp.  451  –  462.  9.  Shen,  C.K.,  Vrymoed  J.L.  and  Uyeno  C.K.  (1977)  “The  effect  of  fines  on  liquefaction  of  sands,”  Proceedings  of  the  9 th  International  Conference  on  Soil  Mechanics and Foundation Engineering, Tokyo, 2, pp. 180 – 189.  10. Thevanayagam,  S.,  Ravisbankar,  K.  and  Mohan,  S.  (1996)  “Steady  sate  strength,  relative  density  and  fines  content  relationship  for  sands,”  Transportation Research  Record: Journal of the Transportation Research Board 1547/1996, pp. 61 – 67.  11. Thian,  S.Y.  and  Lee,  C.Y.  (2010)  “Effect  of  plastic  fines  on  over  consolidated  mining sand,” ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 5(11), pp. 1 – 9.  12. Zlatovic, S. and Ishihara, K. (1995) “On the influence of nonplastic fines on residual  strength,”  Proc.  IS­TOKYO’95,  1 st  Int.  Conf.  On  Earthquake  Geotechnical  Engineering, K. Ishihara, ed., A.A. Balkema, Rotterdam, The Netherlands, pp. 239  – 244.

851