Simulating a direct shear box test by DEM


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Abstract

Distinct element simulation was performed for direct shear box (DSB) tests on a dense and a loose two-dimensional (2D) sample of 3259 cylinders. Special attention was devoted to the effect that the frictional force between the inside surface of the upper shear box and the sample had on the measured shear strength in the DSB test. Some ways of minimizing this interface frictional force were introduced in the paper. Given that the deformation approximates simple shear within the deforming zone across the sample centre (referred to as the shear zone), a method was proposed to evaluate the overall strains in the DSB test. The numerically simulated data were used to interpret, on a microscopic scale, the angle of internal friction and a 2D stress–dilatancy equation for the mobilized plane in granular material. It was found that the angle of internal friction in granular material is not directly related to the interparticle friction angle (φµ). Instead, it relates to the average interparticle contact angle () on the mobilized plane and the ratio k/f0, representing the degree of the probability distribution of the interparticle contact forces that is biased toward the positive zone of the contact angle θ (along the shear direction), where k is the slope of the linear distribution of the average interparticle contact forces against the interparticle contact angle; and f0 is the average interparticle contact force.RésuméOn a réalisé une simulation en éléments distincts pour les essais à la boîte de cisaillement direct (à laquelle l'abbréviation DSB est attribuée dans cet article) sur un échantillon 2D dense et lâche de 3 259 cylindres. On a accordé une attention particulière à l'effet de la force de frottement entre l'échantillon et la surface intérieure de la partie supérieure de la boîte de cisaillement sur la résistance au cisaillement mesurée dans l'essai DSB. On a introduit dans cet article des façons de minimiser la force de frottement à l'interface. Considérant que la déformation est proche du cisaillement simple à l'intérieur de la zone en déformation au centre de l'échantillon (soit la zone de cisaillement), on a proposé une méthode pour évaluer les déformations globales dans l'essai DSB. Au moyen des données numériques simulées, l'angle de frottement interne et l'équation de contrainte de dilatance bidimensionelle sur le plan mobilisé pour un matériau granulaire ont été interprétés à l'échelle microscopique. On a trouvé que l'angle de frottement interne du matériau granulaire n'est pas en relation directe avec l'angle de frottement interparticule φµ. Il est plutôt en relation avec l'angle moyen de contact interparticule sur le plan mobilisé et le rapport k/f0 représentant la distribution de la probabilité des forces de contact interparticule tendant vers la zone positive de l'angle de contact θ (le long de la direction du cisaillement), où k est la pente de la distribution linéaire de la moyenne des forces de contact interparticule par rapport à l'angle de contact interparticule, et f0 est la force moyenne de contact interparticule. [Traduit par la Rédaction]

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