DEM study on the influence of void ratio heterogeneity within broadly graded coarse tailings

ABSTRACT: Coarse tailings show complex geomechanical behavior due to heterogeneous particle size distributions (PSD), shapes, and deposition histories. Conventional continuum models, which employ averaged soil parameters, cannot accurately capture important grain-scale characteristics, e.g., particle rearrangement, force-chain evolution, and volumetric change, under loading conditions. This study employs the Discrete Element Method (DEM) via the open-source LIGGGHTS platform to resolve these microscale processes in triaxial consolidated-drained (CD) tests. Three sample configurations were simulated under identical confining stress conditions: (1) a monodisperse assembly of uniform spheres, (2) a broadly graded polydisperse assembly, and (3) a polydisperse assembly featuring a three-layer vertical void-ratio gradient (dense base, loose top). Key findings indicate that the uniform polydisperse sample yields the highest strength (~130 kPa at ~14% strain) and earliest dilation (~14% strain), the graded void ratio specimen shows slightly lower peak strength (~125 kPa at ~15-16% strain) with delayed dilation onset (~15% strain), and the monodisperse assembly shows the lowest strength (~100 kPa at 20% strain) with continuous contraction and greatest ductility. The difference between polydisperse samples is noticeable but not substantial as both converge toward similar critical states. By providing a detailed LIGGGHTS triaxial CD test procedure, this work delivers a reproducible DEM methodology for coarse tailings analysis. The results offer insights into the coupled roles of PSD and void ratio heterogenity on strength and volumetric changes in coarse tailings. The presented approach will serve as a platform for future, more advanced research in tailings mechanics and DEM methodologies.

RÉSUMÉ: Les résidus grossiers présentent un comportement géomécanique complexe en raison de la distribution hétérogène des tailles de particules (PSD), des formes et des historiques de dépôt. Les modèles continus classiques, qui utilisent des paramètres moyens du sol, ne parviennent pas à capturer des phénomènes essentiels à l’échelle des grains tels que le réarrangement des particules, l’évolution des chaînes de forces et les variations volumiques sous chargement. Cette étude utilise la méthode des éléments discrets (DEM) via la plateforme open-source LIGGGHTS pour analyser ces processus microscopiques lors d’essais triaxiaux consolidés-drainés (CD). Trois configurations d’échantillons ont été simulées sous des contraintes de confinement identiques : (1) un assemblage monodispersé composé de sphères uniformes, (2) un assemblage polydispersé à granulométrie étendue, et (3) un assemblage polydispersé présentant un hétérogénéité du rapport de vides en trois couches (base dense, sommet lâche). Les résultats principaux indiquent que l’échantillon polydispersé uniforme présente la résistance la plus élevée (~130 kPa à ~14% de déformation) et une dilatance précoce (~14%), tandis que l’échantillon à gradient de vide atteint une résistance légèrement inférieure (~125 kPa à ~15-16%) avec un début de dilatance retardé (~15%). L’assemblage monodispersé, quant à lui, présente la résistance la plus faible (~100 kPa à 20%) avec une contraction continue et une ductilité maximale. Les différences entre les échantillons polydispersés sont perceptibles mais peu marquées, les deux tendant vers des états critiques similaires. En proposant une procédure détaillée d’essai triaxial CD sous LIGGGHTS, ce travail fournit une méthodologie DEM reproductible pour l’analyse des résidus grossiers. Les résultats offrent un éclairage sur les rôles combinés de la distribution granulométrique et de l’hétérogénéité du rapport de vides sur la résistance et les variations volumiques des résidus. L’approche présentée servira de base à des recherches futures plus avancées en mécanique des résidus et en modélisation par DEM.