شبیه‌سازی رفتار دینامیکی مصالح دانه‌ای به روش اجزای منفصل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه شهید بهشتی دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست

2 دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست، دانشگاه شهید بهشتی، پردیس فنی و مهندسی شهید عباسپور، تهران، ایران

3 دانشیار دانشکده مهندسی عمران، آب و محیط زیست دانشگاه شهید بهشتی

چکیده

خاک‌های دانه‌ای، پاسخ‌های ماکروسکوپیک پیچیده‌ای تحت بارگذاری‌های لرزه‌ای دارند. با توجه به کاربردهای فراوان نتایج حاصل از آزمایش سه محوری دینامیکی، نیاز به مدل‌سازی عددی این آزمایش برای سهولت در پیش­بینی رفتار خاک‌ها و کاهش هزینه‌های انجام آزمون‌های آزمایشگاهی احساس می‌شود. هدف از انجام این پژوهش، ارزیابی توانایی روش اجزای منفصل در مطالعه رفتار دینامیکی ماسه به کمک شبیه‌سازی تعدادی آزمایش سه محوری دینامیکی زهکشی شده تنش کنترل در شرایط سه بعدی می‌باشد. همچنین تاثیر پارامترهایی نظیر تعداد سیکل‌های بارگذاری، تراکم نسبی خاک، نسبت تنش تناوبی اعمال شده، شکل ذرات و نحوه بارگذاری بر ویژگی‌های دینامیکی خاک دانه‌ای (مدول برشی و نسبت میرایی) نیز در این مطالعه مد نظر قرار گرفته است. نتایج نشان می‌شود که شبیه‌سازی عددی به روش اجزای منفصل می‌تواند تغییرات ویژگی‌های دینامیکی خاک نسبت به متغیرهای در نظر گرفته شده را با دقت قابل قبولی ارائه کند. مقایسه نتایج تجربی موجود در متون فنی و مدل‌سازی‌های عددی انجام شده در این پژوهش نشان می‌دهد که در نسبت تنش تناوبی و تخلخل یکسان، نرخ کاهش مدول برشی و افزایش نسبت میرایی با کرنش برشی برای نمونه­ها با ذرات غیرکروی بیشتر از ذرات کروی است. نسبت تنش تناوبی اعمالی تاثیر قابل توجهی بر مدول برشی، نسبت میرایی و متوسط تعداد تماس‌ها در نمونه‌ها ندارد. متوسط تعداد تماس‌ها در نمونه با ذرات کروی و غیرکروی (در نسبت تخلخل0/3) در انتهای آزمایش به ترتیب 7/7 و 6/4 به دست آمده است. در شرایط یکسان، نمونه با ذرات غیر کروی دچار تغییر شکل بیشتری شده است.
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Discrete Element Method Simulation of Dynamic Behavior of Granular Materials

نویسندگان [English]

  • Nazanin Mahbubi Motlagh 1
  • Ali Noorzad 3
1 Faculty of Civil, Water and Environmental Eng. Shahid Beheshti University Tehran, Iran
3 Faculty of Civil, Water and Environmental Eng. Shahid Beheshti University
چکیده [English]

The granular soil has a complex macroscopic response under seismic loading. Due to the many uses of the results of cyclic triaxial tests, the numerical modeling of these tests is needed to facilitate the prediction of soil behavior and reducing the cost of laboratory tests. The aim of the present research is to evaluate the ability of the discrete element method to investigate the dynamic behavior of sand by simulating a number of drained stress-controlled cyclic triaxial tests under three-dimensional conditions. In addition, the effect of parameters such as the number of loading cycles, soil relative density, cyclic stress ratio, particle shape and loading paths on the dynamic properties of soil (shear modulus and damping ratio) is also considered. The results indicate that numerical simulation by the discrete element method can accurately represent the variations of soil dynamic properties with the considered variables. The comparison of experimental results from the literature and numerical models carried out in this study shows that the rate of decreasing in shear modulus and increasing in damping ratio of the samples with non-spherical particles with shear strain is higher in the given cyclic stress ratio and porosity. The cyclic stress ratio does not significantly affect the shear modulus, damping ratio and the coordinate number of samples. The coordinate number of the sample with spherical and non-spherical particles (e=0.3) is obtained 7.7 and 6.4, respectively, at the end of the simulation test. In the same condition, the samples with non - spherical particles have undergone more deformations.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Granular soils
  • cyclic tests
  • dynamic properties
  • particle shape
  • discrete element method simulations
[1] Cundall, P. A. and Strack, O. D., 1979. “A discrete numerical model for granular assemblies”. Geotechnique, 29(1), pp. 47–65.
[2] Wang, L., Park, J. Y., and Fu, Y., 2007. “Representation of real particles for DEM simulation using X-ray tomography”. Construction and Building Materials, 21(2), pp. 338–346.
[3] Shamsi, M. M., and Mirghasemi, A. A., 2012. “Numerical simulation of 3D semi-real-shaped granular particle assembly”. Powder Technology, 221, pp. 431–446.
[4] Tian, J., Liu, E., Jiang, L., Jiang, X., Sun, Y., and Xu, R., 2018. “Influence of particle shape on the microstructure evolution and the mechanical properties of granular materials”. Comptes Rendus Mécanique, 346(6), pp. 460–476.
[5] Iida, K., 1938. “The velocity of elastic waves in sand”, Bulletin, Earthquake research institute, Tokyo Imperial University, 16, pp. 131–144.
[6] Iida, K., 1940. “On the elastic properties of soil, particularly in relation to its water content”, Bulletin, Earthquake research institute, Tokyo Imperial University, 18, pp. 657–690.
[7] Iwasaki, T., Tatsuoka, F., and Takagi, Y., 1976. “Dynamic shear deformation properties of sand for wide strain range”. Report of civil engineering institute, 1085, Ministry of construction (in Japanese).
[8] Kokusho, T., 1980. “Cyclic triaxial test of dynamic soil properties for wide strain range”. Soils and Foundations, 20(2), pp. 45–60.
[9] In Proceedings, Kokusho, T., and Esashi, Y., 1981. “Cyclic triaxial test on sands and coarse materials”. In Proceedings of the 10th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, June 15, 1981, Vol. 1, pp. 673–679.
[10] In Proceedings, Jafari, S., and Jafarzadeh, F., 2006. “Effect of confining pressure on dynamic properties of Babolsar sand using cyclic triaxial tests”. In Proceeding of First European Conference on Earthquake Engineering and Seismology, Geneva, Switzerland, September 3-8, 2006, 1345.
[11] Meidani, M., Shafiei, A., Habibagahi, G., Jafari, M. K., Mohri, Y., Ghahramani, A., and Chang, C. S., 2008. “Granule shape effect on the shear modulus and damping ratio of mixed gravel and clay”. Iranian Journal of Science & Technology, Transaction B, Engineering, 32(B5), pp. 501–518
[12] Jafarian, Y., Haddad, A., and Javdanian, H., 2015. “Estimating the shearing modulus of Boushehr calcareous sand using resonant column and cyclic triaxial experiments”. Modares Civil Engineering journal, 15(4), pp. 9–19.
[13] Navas, P., Manzanal, D., Stickle, M. M., Pastor, M., and Molinos, M., 2020. “Meshfree modeling of cyclic behavior of sands within large strain Generalized Plasticity Framework”. Computers and Geotechnics, 122(2020), 103538.
[14] mSitharam, T. G., 2003. “Discrete element modelling of cyclic behaviour of granular materials”. Geotechnical & Geological Engineering, 21(4), pp. 297–329.
[15] O’Sullivan, C., Cui, L., and O’Neill, S. C., 2008. “Discrete element analysis of the response of granular materials during cyclic loading”. Soils and Foundations, 48(4), pp. 511–530.
[16] Sitharam, T. G., and Vinod, J. S., 2010. “Evaluation of shear modulus and damping ratio of granular materials using discrete element approach”. Geotechnical and Geological Engineering, 28(5), pp. 591–601.
[17] In proceedings, Vinod, J. S., Indraratna, B., and Sitharam, T. G., 2013. “DEM modelling of granular materials during cyclic loading”. In International Conference on Case Histories in Geotechnical Engineering, Chicago, Illinois, May 03, 2013.
[18] In Proceedings, Manne, A., and satyam, N., 2013. “Numerical modeling of granular soils under cyclic triaxial testing”. In Proceedings of Indian Geotechnical Conference, Roorkee, India, December 22-24, 2013.
[19] In Proceedings, Manne, A., and satyam, N., 2014. “Effect of particle size on the shear modulus of granular soil”. In Proceedings of Indian Geotechnical Conference, Kakinaba, India, December 18-20, 2014.
[20] Nguyen, N. S., François, S., and Degrande, G., 2014. “Discrete modeling of strain accumulation in granular soils under low amplitude cyclic loading”. Computers and Geotechnics, 62, pp. 232–243.
[21] Phusing, D., and Suzuki, K., 2015. “Cyclic behaviors of granular materials under generalized stress condition using DEM”. Journal of Engineering Mechanics, 141(10), pp. 4015–034.
[22] Jiang, M., Zhang, A., and Li, T., 2019. “Distinct element analysis of the microstructure evolution in granular soils under cyclic loading”. Granular Matter, 21(2), pp. 39–50.
[23] In Proceedings, Ngo, N. T., and Indraratna, B., 2020. “Numerical modelling of track behavior capturing particle breakage under dynamic loading”. Geo-Congress, 2020, GSP, 316
[24] In Proceedings, Kumar, S. S., Krishna, A. M., and Dey, A., 2015. “Cyclic response of sand using stress controlled cyclic triaxial tests”. In Proceeding of 50th India Geotechnical Conference, Pune, Maharashtra, India, December 17-19, 2015.
[25] Manne, A., and Satyam, N., 2015. “A review on the discrete element modeling of dynamic laboratory tests for liquefaction assessment”. Electronic Journal of Geotechnical Engineering, 20(1), pp. 21–46.
[26] Itasca Consulting group Inc., 2018. Particle Flow Code in Three Dimensions (PFC3D). Version 6.00. Minneapolis, USA.
[27] Asadi, M., Mahboubi, A., and Thoeni, K., 2018. “Discrete modeling of sand–tire mixture considering grain-scale deformability”. Granular Matter, 20(2), pp. 18–31.
[28] Belheine, N., Plassiard, J. P., Donzé, F. V., Darve, F., & Seridi, A., 2009. “Numerical simulation of drained triaxial test using 3D discrete element modeling”. Computers and Geotechnics, 36(1-2), pp. 320–331.
[29] Kodicherla, S. P. K., Gong, G., Yang, Z. X., Krabbenhoft, K., Fan, L., Moy, C. K., and Wilkinson, S., 2019. “The influence of particle elongations on direct shear behaviour of granular materials using DEM”. Granular Matter, 21(4), 86–98.
[30] Pecker, A., 2007. “Soil behaviour under cyclic loading”. Advanced Earthquake Engineering Analysis, Springer, Vienna, pp. 1–13.
[31] Pan, K., and Yang, Z., 2018. “Undrained behavior of sand under cyclic paths that match storm-wave loading conditions”. Marine Geo-resources & Geo-technology, 36(1), pp. 72–82.