Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Force transmission and soil fabric of binary granular mixtures
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Soil and Rock Mechanics.ORCID iD: 0000-0001-9091-8963
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Concrete Structures.ORCID iD: 0000-0002-1526-9331
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Building Materials.ORCID iD: 0000-0002-0596-228X
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Highway Engineering Laboratory. School of Engineering and Applied Science, Aston University, Birmingham, UK.ORCID iD: 0000-0003-0889-6078
2016 (English)In: Geotechnique, ISSN 0016-8505, E-ISSN 1751-7656, Vol. 66, no 7, p. 578-583Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

The effect of fines content on force transmission and fabric development of gap-graded mixtures under triaxial compression has been studied using the discrete-element method. Results were used to define load-bearing soil fabrics where the relative contributions of coarse and fine components are explicitly quantified in terms of force transmission. Comparison with previous findings suggests that lower particle size ratios result in higher interaction between components. A potential for instability was detected for underfilled fabrics in agreement with recent findings. It was also found that the threshold fines content provides an accurate macroscopic estimation of the transition between underfilled and overfilled fabrics.

Place, publisher, year, edition, pages
ICE Publishing , 2016. Vol. 66, no 7, p. 578-583
Keywords [en]
discrete-element modelling, fabric/structure of soils, particle-scale behaviour
National Category
Geotechnical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-185171DOI: 10.1680/jgeot.14.P.199ISI: 000377361700005Scopus ID: 2-s2.0-84963728575OAI: oai:DiVA.org:kth-185171DiVA, id: diva2:918961
Note

QC 20160721

Available from: 2016-04-12 Created: 2016-04-12 Last updated: 2020-05-13Bibliographically approved
In thesis
1. Granular Materials for Transport Infrastructures: Mechanical performance of coarse–fine mixtures for unbound layers through DEM analysis
Open this publication in new window or tab >>Granular Materials for Transport Infrastructures: Mechanical performance of coarse–fine mixtures for unbound layers through DEM analysis
2016 (English)Licentiate thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Granular materials are widely used as unbound layers within the infrastructure system playing a significant role on performance and maintenance. However, fields like pavement and railway engineering still heavily rely on empirically-based models owing to the complex behaviour of these materials, which partly stems from their discrete nature. In this sense, the discrete element method (DEM) presents a numerical alternative to study the behaviour of discrete systems with explicit consideration of the processes at particulate level governing the macroscopic response.

 This thesis aims at providing micromechanical insight into the effect of different particle sizes on the load-bearing structure of granular materials and its influence on the resilient modulus and permanent deformation response, both of which are greatly influenced by the stress level. In order to accomplish this, binary mixtures of elastic spheres under axisymmetric stress are studied using DEM as the simplest expression for gap-graded materials, which in turn also can be seen as a simplification of more complex mixtures.

First, the effect of the fines content on the force transmission at contact level was studied. Results were used to define a soil fabric classification system where the roles of the coarse and fine fractions were defined and quantified in terms of force transmission.

A behavioural correspondence between numerical mixtures and granular materials was established, where the mixtures were able to reproduce some of the most significant features regarding the resilient modulus and permanent strain dependency on stress level for granular materials.

A good correlation between soil fabric and performance was also found. Generally, higher resilient modulus and lower deformation values were observed for interactive fabrics, whereas the opposite held for instable fabrics.

Mixtures of elastic spheres are far from granular materials, where numerous additional factors should be considered. Nevertheless, it is the author’s belief that this work provides insight into the soil fabric structure and its effect on the macroscopic response of granular materials.

Abstract [sv]

Grus i form av krossat bergmaterial används i stor utsträckning som obundna bär- och förstärkningslager inom tranportinfrastrukturen och spelar där en viktig roll för verkningsätt, drift och underhåll. Det finns emellertid begränsad kunskap om de fundamentala mekanismerna på partikelnivå (d.v.s. enskilda gruskorn), mekanismer som styr det makromekaniska verkningssättet. Områden såsom väg- och järnvägsbyggnad bygger fortfarande väsentligen på empiriskta baserade modeller p.g.a. dessa materials komplexa uppträdande under belastning. Denna komplexitet beror delvis på den diskreta naturen hos problemet vilket innebär att traditionell matematisk modellering som vore materialen homogena och kontinuerliga, blir inadekvat. Mot denna bakgrund utgör den s.k. diskreta elementmetoden (DEM) ett numeriskt alternativ för att studera verkningssätt hos diskreta system där man explicit beaktar mekanismerna på partikelnivå.

Denna avhandling, som baseras på tre vetenskapliga bidrag, syftar till att ge mikromekaniska insikter vad gäller effekten av olika partikelstorlekar på bärförmågan hos grusmateral och dess inverkan på styvhet och motstånd mot permanenta deformationer. Båda dessa parametrar påverkas kraftigt av spänningsnivån och kan studeras genom triaxialförsök. För att undersöka detta studerades med hjälp av DEM binära blandningar av elastiska kulor – den enklaste modellen av grusmaterial med språng i fördelningskurvan – som utsattes för axialsymmetrisk belastning. Denna modell kan i sin tur ses som en förenkling av mer komplexa blandningar.

Inledningsvis studerades effekten av finpartikelinnehållet på partikelkontakternas kraftöverföring. Resultaten användes för att klassificera olika typer av skelettstrukturer i grusmaterialet där den finare och den grövre fraktionens roller kvantifierades med utgångspunkt från kraftöverföringen i stället för från det makromekaniska verkningssättet.

Resultaten visade en korrelation vad gäller verkningssättet mellan numeriska blandningar och grusmaterial, där de numeriska blandningarna kunde reproducera några av grusmaterials viktigaste kännetecken vad gäller spänningsberoendet för styvheten vid avlastning och motståndet mot permanent deformation. Vidare visades att styvheten kunde bestämmas ur första belastningscykeln vilket underlättar att övervinna de begränsningar avseende beräkningstid som annars förknippas med DEM.

God överensstämmelse mellan grusmaterialets skelettstruktur och verkningssätt kunde också observeras. Generellt observerades högre styvhet och mindre permanenta deformationer för interaktiva skelettstrukturer medan det motsatta gällde för instabila strukturer.

Numeriska blandningar av elastiska kulor är långt från verkliga grusmaterial, för vilka ett stort antal ytterligare faktorer måste beaktas. Icke desto mindre är det författarens övertygelse att detta arbete ger insikter i grusmaterialets skelettstruktur och dess effekter på det makromekaniska verkningssättet hos grusmaterial.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2016. p. 42
Series
TRITA-JOB. LIC, ISSN 1650-951X ; 2032
Keywords
discrete element method, force distribution, gap-graded mixtures, granular materials, particle-scale behaviour, permanent deformation, resilient modulus, soil fabric, binära blandningar, diskreta elementmetoden, grusmaterial, kraftöverföring, verkningssätt på partikelnivå, permanent deformation, skelettstruktur, styvhet
National Category
Infrastructure Engineering Geotechnical Engineering
Research subject
Civil and Architectural Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-195598 (URN)978-91-7729-199-2 (ISBN)
Presentation
2016-12-16, B3, Brinellvägen 23, Stockholm, 10:05 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20161116

Available from: 2016-11-16 Created: 2016-11-03 Last updated: 2019-12-20Bibliographically approved
2. DEM Modelling of Unbound Granular Materials for Transport Infrastructures: On soil fabric and rockfill embankments
Open this publication in new window or tab >>DEM Modelling of Unbound Granular Materials for Transport Infrastructures: On soil fabric and rockfill embankments
2020 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Unbound granular materials (UGM) are widely used as load-bearing layers and for embankment construction within transport infrastructures. These play a significant role on operation and maintenance of transportation systems. However, pavement and railway engineering still today rely heavily on empirical models based on macroscopic observations. This approach results in limited knowledge on the fundamentals at particle scale dictating the macroscopic response of the material. In this sense, the discrete element method (DEM) presents a numerical alternative to study the behaviour of discrete systems with explicit consideration of processes at particulate level. Additionally, it allows obtaining information at particulate level in a way that cannot be matched by traditional laboratory testing. All of this, in turn, can result in greater micromechanical insight.This thesis aims at contributing to the body of knowledge of the fundamentals of granular matter. UGM for transport infrastructures are studied by means of DEM in order to gain insight on their response under cyclic loading. Two main issues are considered: (1) soil fabric and its effect on the performance of coarse-fine mixtures and (2) modelling of high rockfill railway embankments. Among the main contributions of this research there is the establishing of a unified soil fabric classification system based exclusively on force transmission considerations that furthermore correlates with performance. In particular, fabrics characterized by a strong interaction between the coarse and fine fractions resulted in improved performance. A soil fabric type with a potential for instability was also identified. Regarding embankments, DEM modelling shows that traffic induced settlements accumulate on the top layers and therefore seem to be unaffected by embankment height above a certain value. A marked influence of degradation, even considering its nearly negligible magnitude, was observed, largely resulting in increased settlements.

Abstract [sv]

Grus i form av krossat bergmaterial används i stor utsträckning som obundna bär- och förstärkningslager inom transportinfrastrukturen och spelar där en viktig roll för drift och underhåll. Områden såsom väg- och järnvägsbyggnad bygger emellertid fortfarande väsentligen på empiriskt baserade modeller till stor del grundlagda på makroskopiska observationer. Denna metod resulterar i begränsad kunskap om de fundamentala mekanismerna på partikelnivå (d.v.s. enskilda gruskorn) som styr det makroskopiska verkningssättet. Mot denna bakgrund utgör den s.k. diskreta elementmetoden (DEM) ett numeriskt alternativ för att studera verkningssätt hos diskreta system där man explicit beaktar mekanismerna på partikelnivå. Dessutom gör DEM det möjligt att få information på partikelnivå på ett sätt som inte kan matchas med traditionella laboratorieförsök. Allt detta kan i sin tur resultera i större mikromekanisk insikt.

Denna avhandling syftar till att bidra till kunskapen om grunderna för grusmaterialets verkningssätt. Obundna grusmaterial studeras med hjälp av DEM-modellering för att belysa verkningssätt under cyklisk belastning. Två huvudämnen beaktas: (1) skelettsstruktur och dess påverkan på verkningssättet för blandningar av fina och grova partiklar (2) DEMmodellering av höga järnvägsbankar. Bland de huvudsakliga forskningsbidragen är upprättande av ett enhetligt klassificeringssystem vad gäller skelettstruktur i grusmaterialet med enbart hänsynstagande till kraftöverföring som dessutom överensstämmer med grusmaterialets verkningssätt. I synnerhet observerades att skelettstrukturer som kännetecknas av en stark interaktion mellan grova och fina fraktioner resulterade i högre styvhet och mindre permanenta deformationer. Dessutom identifierades en typ av skelettstruktur med potential för instabilitet. Vad gäller järnvägsbankar visar DEM-modellering att trafikorsakade sättningar utvecklas främst på det översta lagret och därför inte påverkas av bankhöjden över ett visst värde. En väsentlig påverkan av nedbrytning, även med tanke på dess nästan försumbar storlek, observerades, vilket i hög grad resulterade i större sättningar.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2020. p. 89
Series
TRITA-ABE-DLT ; 205
Keywords
Discrete element method, granular materials, particle-scale behaviour, particle degradation, permanent deformation, resilient modulus, rockfill embankment, soil fabric, Diskreta elementmetoden, grusmaterial, verkningssätt på partikelnivå, nedbrytning, permanent deformation, styvhet, stenfylld bank, skelettstruktur
National Category
Geotechnical Engineering
Research subject
Transport Science, Transport Infrastructure
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-273323 (URN)978-91-7873-509-9 (ISBN)
Public defence
2020-08-18, Videolänk kommer / Video link is forthcoming, Du som saknar dator/datorvana kan kontakta jsilfwer@kth.se / Use the e-mail address if you need technical assistance, Stockholm, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Transport AdministrationSvenska Byggbranschens Utvecklingsfond (SBUF)
Note

QC 20200518

Available from: 2020-05-18 Created: 2020-05-13 Last updated: 2020-05-18Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

de Frias Lopez, RicardoSilfwerbrand, JohanJelagin, DenisBirgisson, Björn

Search in DiVA

By author/editor
de Frias Lopez, RicardoSilfwerbrand, JohanJelagin, DenisBirgisson, Björn
By organisation
Soil and Rock MechanicsConcrete StructuresBuilding MaterialsHighway Engineering Laboratory
In the same journal
Geotechnique
Geotechnical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 1247 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf