Experimental compression of loose sands: relevance to porosity reduction during burial in sedimentary basins


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Abstract

This study examines the one-dimensional stress–strain behaviour of sand at effective stresses as high as 50 MPa. Experiments were performed on 22 sands (approx. 150 tests) with different grain size, uniformity coefficient, angularity, density, grain mineralogy, and clay content. The results show that minor grain corner crushing starts at stresses of 2–8 MPa. The point of maximum curvature (yield point) in the porosity (n) versus logarithm of vertical effective stress (σ'v) curve defines the initiation of marked particle crushing. The stress at the yield point varies between 3 and 31 MPa depending on sand characteristics. A low yield stress is indicative of high porosity loss in the interval of intermediate stress (5–25 MPa). The yield stress is low when the grain size is large, grains are angular, grain strength is low, and uniformity coefficient is low. The lowest yield stress value occurs in the coarser carbonate sand, and the highest in the chert-rich sands. The sands rich in clays are highly compressible up to 25 MPa. At stresses higher than ∼10 MPa, the coarser biogenic carbonate sands maintain higher porosities than the other sands. This can be explained by the fact that coarser biogenic carbonate sands have low yield stresses due to high angularity and low grain strength and initially there is local grain crushing at grain contacts. This increases the area of the grain contacts, so the coarser carbonate sands become less compressible at higher stresses. Within the high stress range (25–50 MPa) the porosity loss differences related to grain size, grain shape, grain mineralogy, and sand uniformity coefficient are significantly reduced. Hence the greater compressibility of lithic and carbonate sands becomes less evident in the high-stress interval as the grain size increases.RésuméCette étude examine le comportement contrainte–déformation unidimensionnel du sable à des contraintes effectives aussi élevées que 50 MPa. On a réalisés des expériences sur 22 sables (∼150 essais) avec différentes granulométries, différents coefficients d'uniformité, de même que différentes angularités, densités, minéralogies des grains et teneurs en eau. Les résultats montrent qu'un faible broyage des pointes des grains commence à des contraintes de 2–8 MPa. Le point de courbure maximale (point de limite élastique) de la courbe de porosité vs log σ'v définit l'initiation du broyage prononcé. La contrainte à la limite élastique varie entre 3 et 31 MPa dépendant des caractéristiques du sable. Une faible contrainte de la limite élastique indique une forte perte de porosité dans l'intervalle des contraintes intermédiaires (5–25 MPa). La contrainte à la limite élastique est faible lorsque la grosseur des grains est grande, que les grains sont angulaires, que la résistance des grains est faible et que le coefficient d'uniformité est faible. La valeur la plus faible de la contrainte de limite élastique se retrouve dans le sable de carbonate et la plus élevée, dans les sables riches en silice cristalline. Les sables riches en argile sont fortement compressibles jusqu'à 25 MPa. Aux contraintes plus élevées que ∼10 MPa, les sables plus grossiers de carbonate biogénique maintiennent des porosités plus élevées que les autres sables. Ceci peut être expliqué par le fait que les sables plus grossiers de carbonate biogénique ont de faibles contraintes de limite élastique à cause de la forte angularité et de la faible résistance des grains, et il y a initialement du broyage local aux contacts entre les grains. Ceci accroît la surface des contacts entre les grains de sorte que les sables de carbonate plus grossiers deviennent plus compressibles aux contraintes plus élevées.

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