The critical state of sands

Abstract

There is conflicting evidence regarding the critical state and steady state of sands. It seems that in some cases the critical state and steady state are taken to be equal and in others they differ significantly. The steady state is shown to be dependent on stress path, initial fabric and initial density in some cases and not in others. This Paper examines a fine to medium, uniformly graded quartzitic sand. The critical and steady states are shown to be equal and independent of stress path, sample preparation method and initial density. Data suggest that the critical state friction angle in sands may be a function of the critical state void ratio. The steady/critical state line is shown to be non-linear, and to have a marked increase in slope at stress levels greater than about 1000 kPa. The critical or steady state point must be selected from triaxial test data with care to ensure that pseudo-steady states are not compared with true steady states. Test procedures and the intrinsic properties of the material being tested must be controlled well. The overall scatter in the steady/critical state line for the sand studied is ± 0·01 in terms of void ratio at stress levels less than 1000 kPa. For real sands with variable intrinsic properties, the scatter may be much larger. Il existe des indications contradictoires concernant I'état critique et l'état stationnaire des sables. Il paraît que quelquefois I'état critique et I'état stationnaire sont pareils, tandis que dans d'autres cas ces états semblent différer de façon significative. Quelquefois on peut démontrer que I'état stationnaire dépend du chemin de contrainte, de la préparation initiale et de la densité initiale, mais pas dans d'autres cas. L'article considère le cas d'un sable fin/moyen quartzitique de classement uniforme dans lequel les états critique et stationnaire sont égaux et indépendants du chemin de contrainte, de la méthode de préparation de I'échantillon et de la densité initiale. Les données créent I'impression que I'angle de frottement interne de I'état critique dans les sables peut être une fonction de I'indice des vides dans cet état. On démontre que la ligne de I'état stationnaire/critique est non-linéaire et qu'elle subit un accroissement marqué de pente à des niveaux de contraintes supérieures a 1000 kPa approximativement. Il faut sélectionner avec soin le point d'état stationnaire/ critique obtenu à partir de données d'essais tri-axiaux afin d'être sûrs que les états pseudo-stationnaires ne sont pas comparés avec de véritables états stationnaires. Les procédures des essais et les propriétés des matières testées doivent être extrêmement bien contrôlées. La dispersion totale dans la ligne d'état stationnaire/critique pour les sables étudiés a une valeur de ± 0·01 exprimée en indice des vides à des niveaux de contrainte inférieurs à 1000 kPa. La dispersion peut être beaucoup plus grande pour de vrais sables avec des propriétés intrinsèques variables.