شبيه‌سازي رفتار ديناميكي مصالح دانه‌اي به روش اجزاي منفصل

Discrete Element Method Simulation of Dynamic Behavior of Granular Materials

خاك‌هاي دانه‌اي، پاسخ‌هاي ماكروسكوپيك پيچيده‌اي تحت بارگذاري‌هاي لرزه‌اي دارند. با توجه به كاربردهاي فراوان نتايج حاصل از آزمايش سه محوري ديناميكي، نياز به مدل‌سازي عددي اين آزمايش براي سهولت در پيش­ بيني رفتار خاك‌ها و كاهش هزينه‌هاي انجام آزمون‌هاي آزمايشگاهي احساس مي‌شود. هدف از انجام اين پژوهش، ارزيابي توانايي روش اجزاي منفصل در مطالعه رفتار ديناميكي ماسه به كمك شبيه‌سازي تعدادي آزمايش سه محوري ديناميكي زهكشي شده تنش كنترل در شرايط سه بعدي مي‌باشد. همچنين تاثير پارامترهايي نظير تعداد سيكل‌هاي بارگذاري، تراكم نسبي خاك، نسبت تنش تناوبي اعمال شده، شكل ذرات و نحوه بارگذاري بر ويژگي‌هاي ديناميكي خاك دانه‌اي (مدول برشي و نسبت ميرايي) نيز در اين مطالعه مد نظر قرار گرفته است. نتايج نشان مي‌شود كه شبيه‌سازي عددي به روش اجزاي منفصل مي‌تواند تغييرات ويژگي‌هاي ديناميكي خاك نسبت به متغيرهاي در نظر گرفته شده را با دقت قابل قبولي ارائه كند. مقايسه نتايج تجربي موجود در متون فني و مدل‌سازي‌هاي عددي انجام شده در اين پژوهش نشان مي‌دهد كه در نسبت تنش تناوبي و تخلخل يكسان، نرخ كاهش مدول برشي و افزايش نسبت ميرايي با كرنش برشي براي نمونه ­ها با ذرات غيركروي بيشتر از ذرات كروي است. نسبت تنش تناوبي اعمالي تاثير قابل توجهي بر مدول برشي، نسبت ميرايي و متوسط تعداد تماس‌ها در نمونه‌ها ندارد. متوسط تعداد تماس‌ها در نمونه با ذرات كروي و غيركروي (در نسبت تخلخل0/3) در انتهاي آزمايش به ترتيب 7/7 و 6/4 به دست آمده است. در شرايط يكسان، نمونه با ذرات غير كروي دچار تغيير شكل بيشتري شده است.

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.