A Discrete Element Method Study of Shear Localisation in Granular Material

Abstract

En fleksibel grensebetingelse er implementert for simulerte trykktester i diskret elementmetode (DEM) programmet Yade. DEM simulerer individuelle partikler i et granulært materiale. Med enkle kontaktlover og fysikk på partikkelnivå, fremkommer kompleks materialoppførsel på makronivå.

Treaksialtest er en av de mest anerkjente og pålitelige laboratorietestene som brukes for å bestemme jordoppførsel, og brukes også i kalibrering av DEM. Forskjeller i materialoppførsel ved bruk av stive og fleksible grensebetingelser er undersøkt. Egenskaper ved utvikling av skjærbånd er også studert. Maksimal mobilisert friksjonsvinkel viser liten forskjell mellom plan tøynings- og treaksialtest kjørt med fleksible og stive grensebetingelser. Målt materialstivhet viser derimot signifikant påvirkning.

Egenskapene vist ved skjærbåndutvikling følger i stor grad oppførsel beskrevet i litteraturen, med eksempler på utknekking av kraftsøyler og påfølgende dilatans og partikkelrotasjon i skjærbånd. Helningsvinklene på skjærbåndene følger teorien godt ved bruk av glatte lastplater, men ikke ved friksjon langs platene. Det blir utført tester for å bestemme effekten av helt ru og helt friksjonsløse endeplater. Testene viser nesten identisk maksimal friksjonsvinkel for begge endebetingelsene, men ulike bruddmekanismer. Glatte endeplater viser tendenser til sprøbruddsoppførsel, og utvikler et enkelt, klart definert skjærbånd i materialet. Ru endeplater forhindrer utglidning av endene av prøven og fører til utvikling av to kryssende skjærbånd. Med stive grenser utvikles disse båndene parallelt, mens de fleksible grensene fører til økt lokalisering i et bestemt primærbånd. Disse testene viser også en mindre tendens til sprøbruddsoppførsel trolig på grunn av høyere stabilitet med to skjærbånd. Primærbåndet har brattere helning enn det sekundære.

A flexible boundary condition is developed for simulated triaxial and biaxial compression tests using the Discrete Element Method (DEM) software Yade. The method performs simulations of individual particles in granular material. With simple contact laws and physics at the particle scale, DEM is capable of producing complex behaviour at the macroscopic scale.

The triaxial test is the industry standard in determining soil behaviour and is utilised in calibration of material behaviour in DEM. Differences in sample response for rigid and flexible boundaries are assessed, and properties of shear localisation in plane strain tests are examined. Sample behaviour with rigid and flexible boundaries is largely consistent for the triaxial tests. The calibration results imply that the addition of flexible borders have limited effect on peak friction angle. The stiffness is however impacted significantly.

The shear localisation results are congruent with the descriptions of shear band behaviour found in the literature, showing force chain buckling in connection with localised dilatancy and rotation in the bands. Shear band orientations closely match the theoretically expected orientation with frictionless platens but differ with the rough condition. The effects of end conditions on shear banding in the simulated plane strain tests are examined. Rough and frictionless end conditions lead to almost identical peak stress, but different mechanisms of failure. Frictionless end conditions suggest a more brittle failure and a tendency of developing a clearly defined, singular shear band. Rough end conditions lead to development of two diagonally crossing bands. With rigid boundaries these mechanisms develop simultaneously, with no clear primary and secondary band. The flexible boundaries show development of one highly developed primary band and a secondary band. The tests show a less abrupt reduction of stress in the post-peak region suspected to be because of somewhat higher stability in the failure mechanism of double bands. These show different orientations with the principal stress directions, with the primary band at a steeper angle.