Dem Study Of Toyoura Sand Fabric Anisotropy Under Triaxial Compression Using Superquadrics / by Sherif Atef Badreldin Aly ; Under the Supervision of Prof. Dr. Mohamed Abdallah ElKhouly, Prof. Dr. Sherif Adel Akl

Thesis (M.Sc.)-Cairo University, 2023.

Bibliography: pages 135-151.

Typical geotechnical engineering methods often treat the particulated soil medium
as a continuum. Nevertheless, the way particles are arranged and the orientation of voids
in between, called fabric, plays an important role on the macroscopic behavior of such
granular materials. Over the past years, Discrete Element Method (DEM) has proved its
reliability in such micro-scale studies. Therefore, in this study we explore the application
of DEM for measuring the directional fabric of real sand and tracking its evolution under
triaxial compression loading. DEM is used to prepare soil specimens of Toyoura sand
with different packing densities while particles are represented by an assembly of
polydisperse superquadric shapes. These particles are chosen carefully to mimic the size
and shape of real sand qualitatively using SEM images and quantitively using shape
descriptors. A DEM triaxial compression test is then modelled using the generated
specimens so that particles are subjected to all-around compression then shearing.
Moreover, a sensitivity analysis is performed to calibrate the interparticle contact
coefficients through stress-strain curves so that the final model captures the realistic
mechanical behavior of Toyoura sand.
At various phases of shearing deformation, statistical analysis of the distribution of
fabric directional data in terms of particle long-axis orientation (PO) and contact normal
force orientation (CN) is carried out. Regarding PO, orientations were anisotropic to the
horizontal direction initially due to gravity effect, then they became isotropic near the
peak of the stress-strain curve. The dense samples showed more irregularities in PO due
to interlocking between particles which makes it more efficient in resisting loads.
Regarding CN, even while loose samples had a minor bias towards the vertical direction,
the results showed that the orientation pattern prior to loading is generally random. At
the peak, contact normal forces converge in a certain direction depending on the pre-
shear void ratio. In conclusion, the results revealed that the proposed technique proved
itself as a powerful tool in tracking fabric evolution of soil particles

عادةً ما تتعامل طرق الهندسة الجيوتقنية مع وسط التربة الجسيمي كسلسلة متصلة (continuum) عند تمثيل التربة. ومع ذلك، فإن ترتيب حبيبات التربة والفراغات المرتبطة بها، وهو ما يسمى بنسيج التربة (Soil Fabric)، تلعب دورًا مهمًا في السلوك العام لمثل هذه المواد الحبيبية. وعلى مدى السنوات الماضية، أثبتت طريقة العناصر المنفصلة (DEM) موثوقيتها في الدراسات الدقيقة لحبيبات التربة. ويتضمن هذا البحث كيفية استخدام طريقة DEM لدراسة نسيج رمل حقيقي تحت تأثير ضغط ثلاثي المحاور. في ضوء ما سبق، تم إعداد عينات تربة من رمل تويورا (Toyoura) بكثافات مختلفة باستخدام طريقة DEM، مع تمثيل حبيبات الرمل بأشكال المربعات الفائقة (Superquadrics). وقد تم اختيار أبعاد المربعات الفائقة بعناية لمحاكاة حجم وشكل رمال Toyoura نوعيًا باستخدام صور (SEM) وأيضاً كميًا باستخدام معادلات رياضية تستخدم لوصف الأشكال الهندسية. بعد ذلك، تم نمذجة اختبار ضغط ثلاثي المحاور باستخدام DEM على العينات بحيث يتم تطبيق ضغط من جميع الاتجاهات وبعدها يتم تطبيق قوى القص للوصول للانهيار. علاوة على ذلك، تم إجراء دراسة لمعايرة معاملات الاتصال (Contact Models) بين الحبيبات والتحقق من صحتها لالتقاط السلوك الميكانيكي الحقيقى لرمال Toyoura من خلال منحنيات الإجهاد والانفعال.
وتم إجراء التحليل الإحصائي لنتائج دراسة نسيج التربة من حيث اتجاه المحور الطويل لكل حبيبة (PO) وكذلك اتجاه القوة العمودية المتولدة بين كل حبيبتين (CN) في مراحل مختلفة أثناء اختبار الضغط. وفيما يتعلق بـ PO، كانت محاور الحبيبات تتجه نحو الاتجاه الأفقي في البداية قبل تطبيق أي أحمال على العينة بسبب تأثير الجاذبية، ثم أصبحت الاتجاهات متباينة بالقرب من ذروة منحنى الإجهاد والانفعال. وأظهرت العينات الكثيفة المزيد من التناحر بسبب التشابك بين الجزيئات (Interlocking) مما يجعلها أكثر كفاءة في مقاومة الأحمال. وفيما يتعلق بـ CN، أظهرت النتائج أن نمط الاتجاه قبل التحميل يكون عشوائيًا بشكل عام، مع العلم أن العينات السائبة كان لها انحياز طفيف نحو الاتجاه الرأسي. وفي أقصى قيمة ضغط تم الوصول لها، تتلاقى القوى العمودية المتولدة إلى اتجاه معين اعتمادًا على نسبة الفراغات الموجودة بالعينة قبل تطبيق الأحمال عليها. وأخيراً يمكن أن نستنتج أن التقنية المقترحة في هذه الدراسة تثبت نفسها كأداة قوية يمكن استخدامها فى تتبع تغير نسيج التربة تحت تأثير الأحمال.

Issued also as CD

Text in English and abstract in Arabic & English.