Comparison of stress-strain behaviour of carbonate and silicate sediments

Compared to silica sand, carbonate sand has considerably higher angularity, lower grain hardness and higher intraparticle porosity, which result in high friction angles and compressibility. The corresponding dilatancy is affected strongly by the confining stress. Thus, even for low relative densities, dilation occurs at low confining stresses, reflecting the greater particle interlocking compared to silica sand. However, with the increase of confining stress, the dilatancy is suppressed quickly, and finally diminishes completely at a relatively low stress level, due to particle degradation. This distinctive characteristic significantly influences the behaviour of continuously penetrating spudcan foundations in calcareous sediments. Centrifuge tests were carried out on spudcan foundations penetrating multi-layer soils with an interbedded strong layer composed with either carbonate or silica sand. All measures of spudcan punch-through severity were significantly lower for interbedded carbonate sand despite its higher friction angle (crit = 40) compared to silica sand (crit = 34). For the spudcan penetration through the sand layer to the lower clay layer, the soil failure mechanisms quantified by particle image velocimetry (PIV) analysis allowed for identifying the differences in the evolution of sand frustum beneath the advancing spudcan. The spreading angle of the frustum, which determines the size of the projected bearing area, was found to be proportional to the mobilised dilatancy. RÉSUMÉ : Comparativement au sable siliceux, le sable carbonaté a une angularité considérablement plus élevée, une plus faible dureté de grain et une porosité intra-particulaire plus élevée, ce qui a pour effet de produire un angle de frottement et une compressibilité élevés. La dilatance de ce dernier est fortement affectée par la contrainte de confinement. Ainsi, même pour de faibles densités relatives, le comportement dilatant peut se produire pour des contraintes de confinement faibles, reflétant une tendance à l’imbriquement des particules plus élevée par rapport au sable siliceux. Cependant, la dilatance est rapidement réprimée lorsque la contrainte de confinement augmente, et finalement disparaît complètement pour des niveaux de contrainte relativement faibles, du fait de la dégradation des particules. Cette caractéristique particulière influence de manière significative le comportement des fondations ‘spudcan’ lors de leur pénétration dans des couches de sédiments calcaires. Des essais en centrifugeuse ont été réalisés sur des fondations ‘spudcan’ pénétrant des sols multi-couches comprenant une couche intermédiaire composée soit de sable carbonaté, soit de sable siliceux. Toutes les mesures de sévérité du risque de pénétration du « spudcan » étaient significativement plus faibles pour le cas d’une couche intermédiaire de sable carbonaté, en dépit du fait que l’ angle de frottement soit plus élevé (crit = 40), par rapport au sable siliceux (crit = 34). Pour la pénétration du « spudcan » à travers la couche de sable jusqu'à la couche sous-jacente d’argile, les mécanismes de rupture du sol quantifiés par vélocimétrie d’image de particule (PIV) ont révélé des différences d’évolution du tronc de sable en dessous du « spudcan ». L’angle d’ouverture du tronc de sable, qui détermine la taille de la surface portante projetée, s’est révélé être proportionnel à la dilatance mobilisée.