Summary
Soil particle characteristics like mineralogy, particle shape and size have a
significant impact on the soil mechanical behavior of the soil mass. In cases
of high stress loading (deep compaction, cone penetration testing, high
energy cyclic loading, etc.), crushing can occur, impacting particle shape and
grain size distribution (GSD), and therefore changing the behavior of the soil
mass.
Soils consisting of weaker particles (like calcareous materials) are more prone
to this type of modifications. However, most soil mechanical relations have
been established using silica materials and therefore do not reflect the
possible impact of crushing.
For the reasons mentioned above, this study presents laboratory test results
from 3D particle measurement tests, direct shear tests and triaxial
compression tests with bender element measurements to determine the
effects of particle characteristics and GSD on the mechanical behavior of
calcareous sand. The calcareous sand is taken from two different locations
on an artificial island in Abu Dhabi, United Arab Emirates, whereas the
commonly used silica sand is obtained from Mol in Antwerpen, Belgium. To
study the effect of particle shape, a modification of the original material is
performed by crushing to have finer and crushed particles. Afterward, the
original calcareous sand is matched with similar sizes of particles and
gradations as the silica sand and the crushed calcareous sand. Based on
these laboratory results, five main contributions are mentioned:
190

The first part of the study mainly describes the process of equipment
construction for the experiments. This is the first step to accomplish the
scientific goals. A testing system including the cyclic tri-axial apparatus
and the bender element device is built in the Geotechnics Laboratory of
the Ghent University. For the bender element tests, the system works very
well using the stacking technique recommended for the determination
of the travel time. For cyclic loading tests, the system works well until
frequency of 1 (Hz) since the program cannot calibrate itself fast enough
to make a balance between the input and the output signals at higher
frequencies. This is considered as a limitation of the system in this study.

The second part of the study focuses on the measurements of the size
and shape of the particles of the calcareous sand, silica sand and crushed
calcareous sand in different fractions of the GSD. Based on the results of
the 3D analysis (3DA), the particles of the calcareous sand are found less
spherical than those of the silica sand and the crushed calcareous sand.
Next, a relationship between particle shape and size is established for the
calcareous sand and the crushed calcareous sand. The average sphericity
(SPH) of the particles holds an inverse relationship to the particle size.
This finding is consistent with the test results of the maximum and
minimum void ratios (emax and emin) since emax and emin decrease with
increasing SPH. Further, the 3DA shows smaller particle sizes than the
sieve analysis (SA). This is due to particle interlocking caused by the
various particle shapes, especially for the calcareous sand. It is concluded
that the particle shape is the main factor affecting the SA results.

Thirdly, the effects of particle characteristics and gradation on shear
properties (shear strength and friction angle) are looked upon using the
results of the direct shear tests with emphasis again on the difference
between the silica sand and the calcareous sand. The results prove that
particle shape and composition are the main factors causing the
differences between the calcareous sand and the silica sand. Although
the calcareous sand forms a higher void ratio, it gives higher peak and
residual shear properties than the silica sand. During shearing, the
calcareous sand reaches a lower shear strength at a small shear strain in
the early state of shearing and shows a lower dilation at the end of testing
than the silica sand especially in the dense samples. The main reason is
that the variety of particle shapes increases the particle interlocking and
the number of inter-particle contacts and thus increases the shear
properties of the calcareous sand. For the calcareous sand, the initial
relative densities of the samples still have an influence on the shear
strength and friction angle at the residual state ( = 10%). This suggests
that to reach a critical state, the direct shear tests should be performed
to a higher shear strain (e. g,  = 15% or 20%). Additionally, for calcareous
sand, the particle size D50 or uniformity coefficient Cu increases the shear
properties at the residual state. Looking to the effect of D50, the
compression and dilation phase of the calcareous sand are affected
strongly by the normal stress. Under the normal stress of 50 kPa, the
sample with larger particles shows much more dilation than the sample
with smaller particles. However, this trend starts to divert under the
higher normal stress of 100 kPa, and finally, the completely opposite
tendency is observed under 200 kPa where the sample with larger
particles shows more contraction. The particle shape expressed via D50 is
also correlated to the shear properties of the calcareous sand. The wellgraded calcareous sands have better packing densities than the uniform
calcareous sands so that the well-graded calcareous sands give better
contributions to shear properties than the effect of particle shape.
Therefore, the description of particle shape via Cu does not correlate with
the shear properties.
192

The fourth part of the study concentrates on the results of the bender
element tests. First, these results indicate that shear wave velocity (Vs)
and thus small strain shear modulus (G0) is strongly affected by particle
shape. Less dynamic stiffness is found for particles owning more
sphericity and less angularity. The G0 of the calcareous sand is much
higher than that of the silica sand at similar stress level and void ratio.
This is because, at the same particle size, the calcareous sand with various
particle shapes produces a better fabric for shear wave propagation
compared with the silica sand. In addition, the increase of uniformity
coefficient Cu and the presence of finer particles (at low Cu) have negative
impacts on G0. Finally, a correlation for G0 is established for the
calcareous sands with different Cu. The study also shows that predicting
G0 for calcareous sands using existing empirical equations give very large
relative errors. In short, not only the uniformity coefficient (Cu) but also
the particle characteristics including particle shape, size and stiffness are
very important to G0 of soils.

Finally, cyclic triaxial tests and bender element tests are performed to
investigate the effect of the particle characteristics of the calcareous and
silica sands on the correlation between cyclic resistance ratio (CRR) and
shear wave velocity (Vs1). The cyclic test results show that although the
calcareous sand has a higher void ratio, it gives much higher cyclic
resistance than the silica sand. The increase is due to the variety of grain
shape producing more particles interlocking in the calcareous sand. This
property causes a distinctness not only in the progress of pore pressure
generation but also in the development of axial strain under cyclic
loading as found in literature. In addition, the study indicates that the
CRR–Vs1 correlation depends on particle characteristics. This result
confirms results of previous studies on the same calcareous sands. This
study also indicates that the existing CRR-Vs1 correlations, which
underestimate or overestimate liquefaction resistance for calcareous
sands, can be used for the initial primary estimation of liquefaction
potential. For soils with different particle characteristics however, further
tests for cyclic resistance should be performed.
In conclusion, the effects of particle characteristics commonly not taken into
account for estimating G0 and liquefaction potential and completely ignored
in looking at the difference between calcareous sand and silica sand are the
main interest in this study. So based on the aforementioned conclusions, the
following considerations should be taken into account. First, sampling
reconstruction of calcareous sands, which is avoidable in the laboratory, will
affect test results. However, this has a similar influence on all the test samples
and thus can be considered to cause quantitative changes. Therefore, the
tendency of the results may not be influenced and this effect should only be
considered when evaluating the exact behavior of the calcareous sand in the
field. Secondly, the above conclusions are given within the limit range of
gradation and particle shape of the tested material and in the narrow range
of effective confining pressures (25 - 300 kPa) that does not cause particle
crushing.
194
Samenvatting
De karakteristieken van gronddeeltjes zoals mineralogie, deeltjesvorm en
grootte hebben een significante invloed op het mechanische gedrag van de
bodem van de bodemmassa. In het geval van hoge belastingbelasting (diepe
verdichting, kegelpenetratie testen, hoge energie cyclische belasting, enz.),
Kan verplettering optreden, wat de deeltjesvorm en korrelgrootteverdeling
(GSD) beïnvloedt en daardoor het gedrag van de bodemmassa verandert.
Bodems bestaande uit zwakkere deeltjes (zoals kalkhoudende materialen)
zijn meer vatbaar voor dit type modificaties. De meeste grondmechanische
relaties zijn echter vastgesteld met behulp van silica-materialen en
weerspiegelen daarom niet de mogelijke impact van crushing.
Om bovengenoemde redenen toont dit doctoraatsonderzoek de resultaten
van laboratoriumproeven met inbegrip van 3D meetproeven op de deeltjes,
directe schuifproeven en triaxiaalproeven met bender element metingen, dit
alles om de effecten van de deeltjeseigenschappen en GSD op het
mechanische gedrag van kalkhoudend zand te bepalen. Voor deze studie
wordt het kalkhoudende zand ontnomen op twee verschillende locaties op
een kunstmatig eiland in Abu Dhabi, Verenigde Arabische Emiraten, terwijl
het veelgebruikte siliciumdioxidezand wordt ontgonnen te Mol in
Antwerpen, België. Voor de studie van de effecten van de vorm van de
deeltjes wordt een modificatie van het oorspronkelijke materiaal uitgevoerd
door deze fijn te malen om kleinere, gebroken deeltjes te bekomen.
Naderhand wordt de korrelverdeling van het oorspronkelijke kalkhoudende
zand nagebootst met deeltjes van het siliciumdioxidezand en het vermalen
kalkhoudende zand. Het onderzoek leidt tot volgende bijdrages:
●
Het eerste deel van het onderzoek beschrijft voornamelijk het ontwerp
en de constructie van de testapparatuur voor de experimenten. Dit is de
eerste stap om de wetenschappelijke doelen te bereiken. In het Labo
Geotechniek van de Universiteit Gent is een cyclisch triaxiaal apparaat
gebouwd gecombineerd met bender element sensoren. Voor de bender
element metingen werkt het gecombineerde systeem zeer goed gebruik
makend van de stacking techniek aanbevolen voor het bepalen van de
looptijd. Voor de cyclische belastingtesten werkt het systeem nog steeds
goed tot een frequentie van 1 Hz. Dit komt doordat het programma bij
hogere frequenties zichzelf niet snel genoeg kan kalibreren om een
balans te maken tussen de ingangssignalen en de uitgangssignalen. Dit
wordt in dit onderzoek als een beperking van het systeem beschouwd.
●
Het tweede deel van het onderzoek richt zich op de metingen van de
grootte en de vorm van de korrels van het kalkhoudende zand, silicazand
en verbrijzeld kalkhoudend zand in de verschillende fracties van de
korrelverdeling. Op basis van de resultaten van de 3D analyse (3DA) zijn
de deeltjes van het kalkhoudende zand minder bolvormig dan die van
het siliciumdioxidezand en het gebroken kalkhoudende zand. Vervolgens
wordt een relatie tussen deeltjesvorm en -grootte vastgesteld voor het
kalkhoudende zand en het verbrijzelde kalkhoudende zand. De
gemiddelde sfericiteit (SPH) van de deeltjes toont een inverse relatie met
de deeltjesgrootte. Deze bevinding is consistent met de testresultaten
voor het maximale en minimale poriëngetal (emax en emin) waarbij emax en
emin verminderen met toenemende SPH. Verder toont de 3DA kleinere
groottes van de korrels dan de zeefanalyse (SA). Dit komt door de grotere
interactie van de korrels veroorzaakt door de diverse vormen van deze
korrels, vooral in het kalkhoudende zand. De studie concludeert dus dat
voornamelijk de vorm van de deeltjes de zeefresultaten beïnvloedt.
196
●
Ten derde wordt de invloed van de deeltjeseigenschappen en
korrelverdeling
op
het
afschuifgedrag
(schuifweerstand
en
wrijvingshoek) bestudeerd op basis van de resultaten van directe
schuifproeven. De resultaten tonen aan dat de vorm en samenstelling
van de korrels de belangrijkste factoren zijn die de verschillen tussen het
kalkhoudende zand en het siliciumdioxidezand veroorzaken. Hoewel het
kalkhoudende zand een hoger poriëngetal vertoont, heeft het een
hogere piek- en residuele schuifsterkte dan het siliciumdioxidezand.
Tijdens het afschuiven bereikt het kalkhoudende zand een lagere
schuifsterkte bij een kleine verglijding in een vroeg stadium van de
afschuiving
en
vertoont
het
een
kleinere
dilatatie
dan
het
siliciumdioxidezand aan het einde van de afschuiving. Dit wordt duidelijk
vastgesteld in de dichtgepakte zandmonsters. Dit is opnieuw te wijten
aan de verscheidenheid van korrelvorm die een grotere interactie van de
korrels in het kalkzand produceert. Voor het kalkhoudende zand hebben
de initiële relatieve pakkingsdichtheden van de monsters nog een
invloed op de residuele schuifsterkte en wrijvingshoek (bij een verglijding
 = 10%). Dit suggereert dat om een kritieke toestand te bereiken, de
directe
schuifproeven
moeten
worden
uitgevoerd
tot
hogere
vervormingen (bijvoorbeeld,  = 15% of 20%). Bovendien bewijzen de
resultaten voor het kalkhoudend zand dat de residuele schuifsterkte
toeneemt met een toenemende D50 of uniformiteitscoëfficiënt Cu. De
compressie en dilatatie van het kalkzand wordt sterk beïnvloed door de
normaalspanning en de D50. Onder een normaalspanning van 50kPa
blijkt dat het grondmonster met grotere deeltjes veel meer dilatatie
vertoont dan het monster met kleinere deeltjes, wat aangeeft dat de
dilatatiehoek verhoogt met toenemende deeltjesgrootte onder lage
belasting. Deze trend begint echter af te wijken onder een hogere
normaalspanning van 100 kPa en tenslotte wordt een volledig
tegenovergesteld gedrag onder 200 kPa waargenomen waar het
monster met grotere deeltjes meer samendrukking laat zien. De
deeltjesvorm die via D50 tot expressie wordt gebracht, is ook gecorreleerd
aan de afschuifeigenschappen van het kalkhoudende zand. De goed
gegradeerde kalkhoudende zanden hebben betere pakkingsdichtheden
dan de uniforme kalkhoudende zanden, zodat de goed ingedeelde
kalkhoudende
zanden
een
betere
bijdrage
leveren
aan
afschuifeigenschappen dan het effect van de deeltjesvorm. Daarom
correleert de beschrijving van de deeltjesvorm via Cu niet met de
afschuifeigenschappen.
●
Het vierde deel van het onderzoek concentreert zich op de resultaten van
de bender element proeven. Ten eerste laten de resultaten zien dat de
schuifgolfsnelheid (Vs) en dus de maximale glijdingsmodulus (G0), sterk
worden beïnvloed door de korrelvorm. Minder dynamische stijfheid
wordt gevonden voor deeltjes die meer sferisch en minder hoekig zijn.
De G0 van het kalkhoudende zand is veel hoger dan die van het
siliciumdioxidezand
bij
een
vergelijkbaar
spanningsniveau
en
poriëngetal. Dit komt omdat bij deeltjes van dezelfde grootte, het
kalkhoudende zand verschillende korrelvormen heeft, waardoor het
kalkhoudende
zand
een
betere
structuur
vormt
voor
de
golfvoortplanting vergeleken met het siliciumdioxidezand. Bovendien
hebben de toename van de uniformiteitscoëfficiënt Cu en de
aanwezigheid van fijnere deeltjes (bij lage Cu) een negatieve invloed op
G0N. Daarnaast worden vergelijkingen en correlaties voor G0 voorgesteld
voor het kalkzand. De studie bevestigt dat de bestaande vergelijkingen
uit eerdere studies die G0 voor kalkzanden voorspellen, zeer hoge
relatieve fouten geven. Kortom, niet alleen de uniformiteitscoëfficiënt
(Cu), maar ook de deeltjeseigenschappen met inbegrip van korrelvorm,
grootte en stijfheid, zijn erg belangrijk voor G0.
198
●
Ten slotte worden cyclische triaxiaalproeven en bender element proeven
uitgevoerd om bij siliciumdioxidezand en het kalkhoudende zand het
effect van de korreleigenschappen op het verband tussen de cyclische
weerstandsratio (CRR) en de schuifgolfsnelheid (Vs1) te onderzoeken. De
cyclische testresultaten tonen aan dat hoewel het kalkhoudende zand
een hoger poriëngetal heeft, het een veel hogere cyclische weerstand
heeft dan het siliciumdioxidezand. De toename is opnieuw te danken aan
de verscheidenheid van korrelvorm die een grotere interactie van de
korrels in het kalkzand produceert. Deze verscheidenheid van korrelvorm
veroorzaakt
een
verschil
niet
alleen
in
de
opbouw
van
de
poriënwaterdruk maar ook in de ontwikkeling van de axiale vervorming
van de monsters onder cyclische belasting. Bovendien geeft de studie
aan dat de CRR - Vs1 correlatie afhankelijk is van de karakteristieken van
de deeltjes. Dit resultaat wordt ook bevestigd in eerdere studies op
dezelfde kalkhoudende zanden. De studie concludeert dat de bestaande
CRR-Vs1 correlaties, die de vervloeiing voor kalkachtige zanden
onderschatten of overschatten, wel kunnen gebruikt worden voor de
initiële inschatting van het vervloeiingspotentieel. Echter voor gronden
met andere korrelkenmerken, dus in het bijzonder voor kalkzanden,
dienen extra cyclische tests te worden uitgevoerd.
In conclusie kan worden gesteld dat over het algemeen het effect van de
korreleigenschappen niet in aanmerking wordt genomen voor het inschatten
van G0 en het vervloeiingspotentieel en volledig wordt genegeerd bij
vergelijkende studies naar het gedrag van kalkhoudend zand en silicazand
doch echter van groot belang blijkt te zijn en daarom deze studie. Bij
toepassing van bovenvermelde resultaten dienen nog volgende aspecten in
rekening te worden gebracht. Ten eerste kan de aanmaak van de
grondmonsters, wat in het laboratorium best wordt vermeden, van invloed
zijn op de resultaten. De invloed is echter dezelfde op alle proefmonsters en
beïnvloedt de kwantitatieve resultaten. De tendensen van de resultaten
worden hierdoor niet beïnvloed en dit effect moet enkel worden overwogen
bij het inschatten van het exacte gedrag van het kalkhoudende zand in situ.
Ten tweede worden bovenstaande conclusies geformuleerd voor het
gebruikte kalkhoudende zand en in het lage bereik van de effectieve
spanningen (25 - 300 kPa) die geen verbrijzeling van de korreldeeltjes
veroorzaken.