Response of lightly cemented sand under multiaxial loading

Abstract

The improvement of soil with the use of chemical agents is a common technique in geotechnical engineering. Although the use of cement is widely employed in the field, the behaviour of the mechanisms of soil response to multiple loadings is still not fully known. Previous studies have shown that even small amounts of cement add to the soil characteristics as strength, reduction to liquefaction potential, durability and lower deformability. This thesis presents experimental tests conducted on a lightly cemented sand on advanced soil apparatus. The laboratory study has been carried on an angular to sub-angular silica sand reinforced with Portland cement of high early strength. The study aims to investigate the behaviour of a cemented sand under multiaxial loading conditions. True triaxial tests on cemented sand were conducted in a Cubical Cell Apparatus and exploration of the material response including failure limits under different constant stress paths (θ = 0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 180°) in the octahedral (π) plane were performed. The Hollow Cylinder Torsional Apparatus was used to vary the direction of the principal stresses during shearing (α = 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°). The Young’s modulus and shear modulus were measured by the application of a series of small unload reload cycles at different stages along the stress paths. At these investigation points, additional series of unload-reload cycles of higher amplitudes were also applied and the stiffness moduli assessed. Non-contact high-resolution displacement transducers where used to measure the quasi-elastic properties of the material and their dependency on the stress state, density and cement content. Cubical samples were prepared to evaluate the stiffness evolution over time with bench bender elements. All tests performed were conducted with a dense lightly cemented sand and a loose lightly cemented sand, with the same porosity/volumetric cement content index (η/Civ). Results showed that the cemented sand behaviour is entirely dependent on the direction of the principal loading. The intermediate principal stress directly effects on the behaviour of the cemented sand, as well as the direction of principal stress. Nevertheless, a reduction of the anisotropy of cemented specimens is observed through initial stiffness, as the cement hydration takes place.

melhoramento de solos através de agentes químicos é uma prática corrente na engenharia geotécnica. O uso de cimento para o reforço de solos tem sido amplamente empregado, todavia a resposta do solo cimentado a carregamentos multiaxiais ainda é desconhecida. Estudos anteriores mostraram que pequenas quantidades de cimento incorporadas ao solo são capazes de melhorar características como resistência, redução do potencial de liquefação e deformações e aumento da durabilidade. Esta tese apresenta uma série de resultados de ensaios laboratoriais realizados em uma areia fracamente cimentada. Os ensaios foram conduzidos em uma areia silicosa reforçada com cimento Portland de alta resistência inicial. A pesquisa investigou o comportamento da areia cimentada sob condições de carregamento multiaxiais. As amostras cimentadas foram conduzidas a uma célula triaxial cúbica onde o comportamento do material, até sua ruptura, foi verificado através de diferentes caminhos de tensões (θ = 0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 180°) no plano octaédrico. Ensaios hollow cylinder, onde amostras em forma de cilindro vazado são ensaiadas através carregamentos axiais e torcionais, foram empregados para verificar o comportamento do material cimentado durante a rotação das tensões principados (α = 0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, 90°). Os módulos de Young e cisalhante foram medidos durante pequenos ciclos de carga e descarga em diferentes pontos durante o carregamento nos ensaios hollow cylinder, Amostras cúbicas foram preparadas para a avaliação da evolução da rigidez durante a cura através de bender elements inseridos nas seis faces das amostras. Os ensaios foram conduzidos em uma areia fracamente cimentada com uma composição densa e uma fofa, mantendo-se o mesmo índice porosidade/teor volumétrico de cimento (η/Civ). Os resultados mostram que o comportamento da areia cimentada é dependente da direção principal de carregamento. A tensão principal intermediaria afetou o comportamento da areia cimentada, assim como a direção das tensões principais. Além disso, foi observada uma redução na anisotropia das amostras com a evolução da cimentação.