Modelación de un ensayo de corte directo en arena mediante el método de elementos discretos tridimensional

Abstract

In the present article, a direct shear test was modelled using the 3D Discrete Element Method. This approach describes the soil as an assembly of particles, reproducing the macroscopic soil behaviour from micro-mechanics interactions between individual particles. About 70000 particles were used in a 3D model, developed to reproduce a direct shear test. The numerical model results will be compared with experimental tests of a coarse sand from previous stages of this research. The real material was modeled as perfect individual spheres, with sizes consistent with the real grain size distribution and with a rolling friction approach to include the sand's grain shape. Several methodologies were followed in order to reproduce an initial void ratio similar to those obtained experimentally. The goal is to accurately reproduce the macro-scale response of the laboratory tests with the DEM model, and to study the effect of the micro-mechanical parameters in the stress path and the material deformation. Two specimens with different initial void ratio were modelled to study the effect of the micro-mechanical parameters and the initial fabric compactness on the model results. Afterwards, a model calibrated against experimental data is presented with a brief analysis of the particle migration and the contact orientation. The results show the development of a clear shear zone in the middle portion of the specimens, with an evident out of plane migration of particles. It is shown that, including a rolling resistant model, the stress path can be appropriately reproduced, but the dilatancy characteristic of a dense sand was very difficult to replicate.En el presente trabajo se presenta un ensayo de corte directo sobre una arena gruesa, modelado usando el Método de Elementos Discretos tridimensionales. Esta metodología representa el suelo como un conjunto de partículas, reproduciendo su respuesta macroscópica mediante las interacciones micro-mecánicas entre partículas. El modelo DEM consistió en aproximadamente 70000 partículas perfectamente esféricas. El tamaño de las partículas es consistente con la granulometría real de la arena ensayada. Se exploraron varias metodologías con el fin de reproducir un índice de vacíos inicial similar al de laboratorio. Los resultados numéricos del modelo fueron comparados con los resultados de ensayos experimentales de una arena gruesa proveniente de etapas previas de este estudio. El objetivo fue el de reproducir precisamente la respuesta macroscópica obtenida en el ensayo de laboratorio con el modelo de elementos discretos, y estudiar el efecto de los micro-parámetros en la relación tensión-deformación, así como en la dilatación del material. Se estudió además la migración de partículas fuera del plano de corte, así como los aspectos micromecánicos ligados a la formación de la banda de corte característica de este tipo de ensayos. Los resultados muestran que, al incluir un modelo de resistencia a la rotación para simular la forma de las partículas, la respuesta en tensión puede ser reproducida adecuadamente con este método, pero la dilatancia característica de una arena densa es muy difícil de replicar.