Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • 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, 578-583 p.Article 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, 578-583 p.
Keyword [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: 000377361700005OAI: oai:DiVA.org:kth-185171DiVA: diva2:918961
Note

QC 20160721

Available from: 2016-04-12 Created: 2016-04-12 Last updated: 2016-11-15Bibliographically 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. 42 p.
Series
TRITA-JOB. LIC, ISSN 1650-951X ; 2032
Keyword
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: 2016-11-16Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full text

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

Altmetric score

Total: 294 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • 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