Influence of particle size distribution on critical state line and undrained shear strength of coarse sand tailings

RÉSUMÉ: La résistance au cisaillement non drainée des résidus sableux grossiers (CST) des sables bitumineux est un paramètre clé pour évaluer le potentiel de liquéfaction statique des installations de stockage de résidus. Sa précision dépend de la fiabilité des paramètres de l’état critique déterminés en laboratoire ainsi que des mesures in situ, telles que le rapport de vides et la teneur en fines (particules de diamètre d < 75 µm). Cette étude présente les résultats d’essais triaxiaux drainés à consolidation isotrope (CID) et non drainés à consolidation isotrope (CIU) réalisés sur des échantillons de CST avec différents rapports de vides et teneurs en fines initiaux (0% à 32%), sous une large gamme de pressions de confinement effectives initiales (300 kPa à 2000 kPa). L’analyse granulométrique par tamisage indique que plus de 50% de la masse du CST est composée de grains de diamètre compris entre 150 µm et 250 µm. Des essais CIU supplémentaires ont donc été réalisés en faisant varier les proportions de grains plus fins (d < 150 µm) et plus grossiers (d > 250 µm), tout en maintenant des rapports de vides initiaux similaires et une pression de confinement effective initiale de 300 kPa. Les résultats montrent qu’une augmentation de la proportion de grains plus fins ou plus grossiers déplace la ligne d’état critique dans l’espace e-ln(p’) et a une influence significative sur la résistance ultime au cisaillement non drainée. Bien que l’effet de la teneur en fines soit traditionnellement interprété à travers les rapports de vides intergranulaires équivalents, cette étude met en évidence l’impact notable de l’ensemble de la distribution granulométrique (PSD) sur le comportement à l’état critique. Ces résultats révèlent une source potentielle d’incertitude dans la détermination en laboratoire des paramètres de l’état critique pour le CST.

ABSTRACT: The undrained shear strength of oil sands’ coarse sand tailings (CST) is a key parameter for evaluating the static liquefaction potential of tailings storage facilities. Its accuracy is influenced by the reliability of lab-determined critical state parameters and the in-situ measurements, such as the void ratio and fines content (particle diameter d < 75 µm). This study summarizes the results of isotropically consolidated drained (CID) and isotropically consolidated undrained (CIU) triaxial tests on CST samples at different initial void ratios and fines contents (0% - 32%) under a vast range of initial effective confining pressures (300 kPa - 2000 kPa). Since the sieve analysis on CST shows that over 50% of its mass consists of grains within diameters between 150 µm and 250 µm, additional CIU tests were conducted with varying proportions of grains on the finer (d < 150 µm) and coarser (d > 250 µm) side of the particle size distribution (PSD) curve. These variations were applied to samples with similar initial void ratios and an initial effective confining pressure of 300 kPa. Results show that increasing the proportion of either finer or coarser grains shifts the critical state line in the e-ln(p’) space and significantly impacts the ultimate undrained shear strength. While the effect of fines content is traditionally interpreted through the equivalent inter-granular void ratio, this study highlights the notable effects on critical state behavior from the entire PSD. These findings reveal a potential source of uncertainty in lab-determined critical state parameters for CST.