Investigating instability in granular materials by means of a microstructural model

ABSTRACT

Under certain loading conditions, instability in loose sand can develop at a shear stress level much lower than the critical state failure line. To analyse these types of problems, we adopt the micromechanical approach developed earlier for the modelling of granular material behaviour. The stress-strain relationship for a granular assembly is determined by integrating the behaviour of the inter-particle contacts in all orientations. The constitutive model is applied to simulate undrained triaxial and constant-q tests on loose sand. Numerical simulations are compared to experimental results in order to evaluate the model's ability to predict the different modes of instability of the granular assembly. With the model we have also analysed instability at inter-particle level to observe how it is connected to instability at the assembly level.

RÉSUMÉ

Dans certaines conditions de chargement, des ruptures par instabilité peuvent prendre naissance dans les sables lâches pour des niveaux de contraintes très nettement inférieurs à ceux correspondant à la plasticité parfaite. Pour analyser ce type de problèmes, nous adoptons une approche d'homogénéisation développée précédemment pour la modélisation du comportement des matériaux granulaires. La relation contrainte-déformation macroscopique est obtenue en intégrant le comportement défini au niveau du contact inter-granulaire. Le modèle est utilisé pour simuler des essais non drainés et des essais à déviateur constant sur un sable lâche. Les résultats de la simulation à l'échelle macroscopique sont comparés à des résultats expérimentaux de façon à apprécier la capacité du modèle à prédire la naissance de l'instabilité sur ces chemins particuliers. Une analyse à l'échelle des différents plans de contact inter-granulaire a également été entreprise afin de relier les conditions d'instabilité aux différentes échelles.

KEYWORDS:

• granular material
• instability
• micromechanics
• stress-strain relationship
• sand

MOTS-CLÉS:

• matériau granulaire
• instabilité
• micromécanique
• relation contrainte-déformation
• sable