ارزیابی عددی و آزمایشگاهی اثر دانه بندی و شکل ذرات بر رفتار مکانیکی خاک های دانه ای

با توجه به کاربرد فراوان نتایج حاصل از آزمایش سه محوری در درک رفتار مکانیکی انواع خاک ها، نیاز به مدل سازی عددی این آزمایش برای سهولت در پیش بینی رفتار خاک ها و صرفه جویی در زمان و هزینه انجام آزمون های آزمایشگاهی احساس می شود. رفتار خاک های دانه ای متاثر از شکل (هندسه) ذرات است. در این تحقیق، به منظور ارزیابی اثر دانه بندی و شکل ذرات روی ویژگی های میکروسکوپیک و ماکروسکوپیک خاک های دانه ای، شبیه سازی های سه بعدی به روش اجزای منفصل روی نمونه های ماسه ای حاوی ذرات با اشکال نزدیک به واقعیت تحت آزمایش سه محوری انجام شد. ذرات با هندسه نامنظم به کمک رویکرد خوشه در نرم افزار pfc3d شبیه سازی شدند. تعدادی آزمایش سه محوری زهکشی شده روی نمونه های ماسه ای حاوی ذرات گردگوشه و تیزگوشه برای کالیبراسیون شبیه سازی های عددی انجام گرفت. مشاهده شد که نتایج مدل سازی ها تطابق خوبی با نتایج تجربی دارند و روش اجزای منفصل، ابزاری قدرتمند و جدید جهت شبیه سازی رفتار خاک های دانه ای حاوی ذرات با اشکال مختلف بدون تحمیل مدل های رفتاری پیچیده است. نتایج مطالعات عددی نشان می دهد که در مقیاس ماکروسکوپیک، مقاومت برشی، مقاومت پسماند و مدول مماسی اولیه با افزایش زاویه داری و کشیدگی دانه ها، افزایش می یابد. مقاومت حداکثر و پسماند در نمونه های بد دانه بندی شده بیش از نمونه های خوب دانه بندی شده به دست آمده است. در مقیاس میکروسکوپیک نیز نتیجه می شود که ساختار توده مصالح تحت تاثیر شکل ذرات است؛ به طوری که متوسط تعداد تماس ها در نمونه ها با افزایش زاویه داری و کشیدگی در هندسه ذرات، افزایش می یابد.

numerical and experimental investigations of the effect of gradation and shape of particles on the mechanical behavior of granular soils

because testing on different materials often requires a lot of time and money, numerical simulation can be an acceptable method to avoid conducting several tests. one of the most effective methods to investigate the behavior of granular materials is discrete element method. this method, as a new approach, can simulate the behavior of material realistically, without implementing complex constitutive models (wang et al, 2007; shamsi and mirghasemi, 2012; tian et al, 2018). we know that the behavior of the particle assembly is influenced by the experimental test conditions, particle size distribution, particle shapes, etc. previous researches show that particle shape has a significant effect on the mechanical behavior of granular soil (tian et al, 2018). therefore, to properly model the behavior of granules, it is better to simulate the particle shape as close to reality as possible. the main objective of this paper is to evaluate the effect of gradation and realistic particle shape on the mechanical behavior of granular soil in three dimensional discrete element method modeling in order to increase accuracy and precision of the simulation results. in this regard, in this study, irregular particles are modeled using a set of spheres that have different radii, overlap with each other and form a rigid object (clump) as shown in fig. 1. then, a series of consolidated drained triaxial compression tests have been performed on the specimens containing particles with various shapes. finally, the results of the modeling were compared qualitatively with the experimental results.