How to obtain representative friction angle of coarse granular materials with not large enough specimens

ABSTRACT: Direct shear test is a commonly used method to determine the shear strength of geomaterials. The authors' recent studies showed that the minimum required ratio of 10 between the specimen width (W) to the maximum particle size (dmax) of granular material stipulated by ASTM D3080/D3080M-11 is not large enough to eliminate the specimen size effect (SSE). Using this minimum required ratio can result in overestimation of the friction angle and leads to non-conservative structure design. The authors' studies further showed that a minimum required ratio of 60 is appropriate to eliminate the SSE. This is however problematic for coarse granular materials like gravel, rockfill and waste rocks to prepare specimens having a W/dmax ratio of 60 even with large direct shear box of 30 cm. In this article, an equation is presented to describe the relationship between the normalized friction angle and W/dmax ratio. Direct shear tests and pile tests are performed to validate the proposed equation. By using this equation along with the friction angles obtained by direct shear tests on specimens having W/dmax ratios smaller than 60, the friction angles corresponding to the specimens having W/dmax ratio of 60 can be obtained that are exempt from SSE.

RÉSUMÉ: La méthode de cisaillement direct est couramment utilisée pour déterminer la résistance au cisaillement des géomatériaux. Les études récentes menées par les auteurs ont montré que la valeur de 10 pour le ratio minimum requis entre la largeur d'une éprouvette (W) et la taille maximale des particules du matériau granulaire (dmax) stipulée par la norme D3080/D3080M-11 de l’ASTM n'est pas suffisamment grande pour éliminer l'effet de taille de l'éprouvette (ETE). L’utilisation de cette valeur minimale requise peut mener à une surestimation de l’angle de frottement et conduit à une conception de structures non conservatrice. Les études suggèrent qu’une valeur de 60 est nécessaire pour éliminer le ETE. Cette exigence est problématique pour les matériaux granulaires grossiers comme le gravier, le remblai rocheux et les roches stériles afin d’obtenir des éprouvettes ayant une valeur de 60 pour le ratio de W/dmax, même avec une grande boîte de cisaillement directe de 30 cm. Dans cet article, une équation a été présentée pour décrire la relation entre l’angle de frottement normalisé et le ratio de W/dmax. Des essais de cisaillement direct et des essais de pile sont effectués pour valider l'équation proposée. En utilisant cette équation, l’angle de frottement correspondant à une éprouvette ayant un ratio de 60 peut être obtenu à partir des angles de frottement obtenus par des essais de cisaillement direct sur des éprouvette ayant un ratio de de W/dmax plus petit que 60.