Micro-Macro Behavior of Granular Materials in Direct Simple Shear Tests under Strain-Proportional Stress Paths

ABSTRACT: In geotechnical engineering, strain-proportional stress paths, which simulate partially drained conditions, are less commonly studied compared to drained and undrained stress paths. However, partial drainage frequently occurs in granular soils under field conditions. This study uses discrete element method (DEM) simulations of direct simple shear (DSS) tests to investigate the micro- and macro-scale behavior of granular materials under volumetric-shear strain proportional (VSSP) stress path. Key parameters, including yield shear strength (yield), yield friction angle (ϕ'yield), void ratio, and volumetric strain (εvol), are analyzed across different vertical consolidation stresses (σ'vc), initial drained shear stress ratios (ηc = τc/σ'vc), and volumetric-to-shear strain ratios (ξ = ∂εvol /∂γ). The results reveal that the yield friction angle decreases with increasing ξ, irrespective of σ'vc. Additionally, ϕ'yield increases with higher ηc for a fixed ξ, while εvol at the yield point decreases as ξ rises. These findings highlight that a greater ξ, representing a higher dilative volumetric strain rate relative to shear strain, reduces ϕ'yield for a given initial shear condition. Microscopic analysis further explores the influence of ξ on granular soils through force chain comparisons across specimens with varying ξ and ηc values. This study provides valuable insights into the partially drained behavior of granular soils, with implication for field applications.

RÉSUMÉ: En ingénierie géotechnique, les chemins de contrainte proportionnels à la déformation, qui simulent des conditions partiellement drainées, sont moins fréquemment étudiés que les chemins de contrainte drainés ou non drainés. Cependant, un drainage partiel se produit fréquemment dans les sols granulaires en conditions réelles. Cette étude utilise des simulations par la méthode des éléments discrets (DEM) de tests de cisaillement simple direct (DSS) pour examiner le comportement des matériaux granulaires à l’échelle micro et macroscopique sous un chemin de contrainte proportionnel en déformations volumique-cisaillement (VSSP). Les paramètres clés, incluant la résistance au cisaillement à l’état limite ϕ'yield), l’angle de frottement à l’état limite (ϕ'yield), le rapport de vides et la déformation volumique (εvol), sont analysés pour différentes contraintes de consolidation verticale (σ'vc), différents rapports initiaux de contrainte de cisaillement drainée (ηc = τc/σ'vc), et différents rapports de déformation volumique à la déformation de cisaillement (ξ = ∂εvol /∂γ). Les résultats révèlent que l’angle de frottement à l’état limite diminue avec l’augmentation de ξ, indépendamment de σ'vc. De plus, ϕ'yield augmente avec ηc pour un ξ fixé, tandis que εvol au point de limite diminue lorsque ξ augmente. Ces résultats mettent en évidence qu’un ξ plus élevé, représentant un taux de déformation volumique dilatant plus important par rapport à la déformation de cisaillement, réduit ϕ'yield pour une condition de cisaillement initiale donnée. Une analyse microscopique approfondit l’influence de ξ sur les sols granulaires à travers des comparaisons de chaînes de force entre des échantillons présentant différentes valeurs de ξ et de ηc. Cette étude fournit des connaissances précieuses sur le comportement partiellement drainé des sols granulaires, avec des implications pour les applications sur le terrain.