Exploring the macro- and micro-scale response of an idealised granular material in the direct shear apparatus

摘要

The development of the distinct element method (DEM) has presented researchers with a tool to obtain detailed information about the particle-scale interactions during the standard element tests routinely used by both practising engineers and researchers. The current study considers the response of a granular material in the direct shear apparatus by coupling physical tests with equivalent DEM simulations. An idealised granular material, comprising uniform steel spheres, was considered in this study so that the specimen geometry and surface friction characteristics could be accurately replicated in the DEM simulations. The macro-scale response of the physical test specimens is compared with the macro-scale response observed in the DEM simulations for the purposes of validation of the numerical model. Using the DEM model the sensitivity of the macro-scale response to factors including the surface friction (both interparticle friction and particle-boundary friction) and the specimen generation approach is explored. The study also considers the stress inhomogeneities that develop within the specimen during testing. Considering a representative numerical specimen, an in-depth analysis of the micro-scale responses of the specimen is presented, including the distribution of the contact forces, the particle displacements and the particle rotations. The variation in volumetric and shear strains within the specimen is also considered. The response of this ideal granular material is shown to be sensitive to small variations in fabric.%Le développement de la méthode d'élément distinct (DEM) a offert aux chercheurs un outil leur permettant d'obtenir une information détaillée sur les interactions particule-échelle pendant les essais standard d'élément effectués de manière routinière et utilisés par les ingénieurs praticiens et les chercheurs. Cette étude considère la réponse d'une matière granulaire dans l'appareil de cisaillement direct en couplant les tests physiques avec les simulations DEM équivalentes. Une matière granulaire idéalisée, comprenant des sphères d'acier uniforme, a été prise en compte dans cette étude de façon à ce que la géométrie de spécimen et les caractéristiques de friction de surface puissent être reproduites avec exactitude dans les simulations DEM. La réponse macro-échelle des spécimens utilisés pour les essais physiques est comparée avec la réponse macro-échelle observée dans les simulations DEM afin de valider le modèle numérique. En utilisant le modèle DEM, la sensibilité de la réponse macro-échelle aux facteurs comprenant la friction de surface (à la fois la friction inter particulaire et la friction particules-frontière) et la méthode de production de spécimen est analysée. L'étude considère aussi les non homogénéités de contrainte qui se développent dans les spécimens pendant les essais. Prenant en compte un spécimen numérique représentatif, nous présentons une analyse en profondeur des micro-réponses, dont la distribution des forces de contact, les déplacements de particules et les rotations de particules. La variation des contraintes de volume et de cisaillement dans le spécimen est également prise en compte. La réponse de cette matière granulaire idéale se révèle sensible aux petites variations du tissu.