[論文レビュー] A constitutive model for brittle granular materials considering the competition between breakage and dilation

Mehmet B. Cil, Ryan Hurley+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 20, 2019

Geotechnical Engineering and Soil Mechanics参考文献 28被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、せん断時の粒子破壊とダイレタンシーの競合を捉える、破壊的塊粒体材料の構成モデルを提示する。破壊力学とひずみ軟化および臨界状態挙動を統合することで、異なる閉鎖圧下における砂の実験的応力-ダイレタンシー-破壊関係を、ピーク強度の低下およびダイレタンシーからコンパクト化への体積的遷移を含めて、うまく再現した。

ABSTRACT

A constitutive model is presented for brittle granular materials based on a recent reformulation of the breakage mechanics theory. Compared with previous breakage mechanics-based models, the proposed model is improved to capture strain softening towards the critical state following the peak stress observed in dense specimens under shearing, and simultaneous evolution of breakage and dilation. Considering the competition between dilation and particle breakage allows the model to capture breakage-induced reduction in dilatancy and peak strength as confining pressure increases. The influence of the model parameters on the overall material response is described through a detailed calibration procedure based on a benchmark experimental dataset. Comparison of the results of drained triaxial compression experiments on two sands with the predictions of the model indicates that the enriched model successfully captures strain softening in dilatant specimens, the shearing-driven evolution of stress-strain behavior towards the critical state at different confinement levels, the transition from dilatant to compactive volumetric response, and the evolution of particle grading due to distributed breakage events. The proposed framework is capable of qualitatively reproducing the experimentally observed stress-dilatancy-breakage relationship in brittle granular materials in the low pressure regime.

研究の動機と目的

• 破壊的塊粒体材料における粒子破壊とダイレタンシーの相互作用を捉える構成モデルの開発。
• 従来の破壊力学モデルの限界を克服するため、ひずみ軟化および臨界状態挙動を組み込むこと。
• 増加する閉鎖圧下におけるダイレタンシー的からコンパクト化的体積応答への遷移を実験的に観察されたものと一致させる。
• 応力-ひずみおよび粒度分布の進化を正確に予測できるよう、ベンチマーク三軸データセットを用いたモデルのキャリブレーション。
• 低圧領域における応力-ダイレタンシー-破壊関係を定性的に再現すること。

提案手法

• せん断下における粒子径の進化を記述するため、再定式化された破壊力学理論に基づくモデル。
• 密度試料におけるピーク応力低下を捉えるひずみ軟化則を組み込む。
• ダイレタンシーは、せん断ひずみおよび破壊進化の関数としてモデル化され、体積膨張と粒子破壊の競合を反映する。
• 破壊とダイレタンシーを、破壊の進行に伴いダイレタンシーを低下させる劣化関数を通じて結合する。
• 2種の砂について、ベンチマーク排水三軸データセットを用いたキャリブレーション手順を適用して、主要パラメータを特定する。
• 応力-ひずみ応答、体積ひずみ、粒子径分布の変化に関する実験データとの照合を通じて、フレームワークの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒子破壊とダイレタンシーの競合は、破壊的塊粒体材料のピーク強度およびピーク後の軟化にどのように影響するか？
• RQ2 増加する閉鎖圧下におけるダイレタンシー的からコンパクト化的挙動への遷移を、構成モデルがどの程度捉えることができるか？
• RQ3 破壊進化は、せん断過程における塊粒体材料の応力-ダイレタンシー関係にどのように影響するか？
• RQ4 モデルは、密度の高い砂試料で観察される臨界状態へのひずみ軟化応答を再現できるか？
• RQ5 モデルパラメータは、粒子径の進化および体積応答にどのように影響を与えるか？

主な発見

• モデルは、排水三軸圧縮下におけるダイレタンシー的試料のひずみ軟化をうまく捉え、実験的ピーク後の挙動と一致した。
• 異なる閉鎖圧レベルにおいて、ダイレタンシー的からコンパクト化的体積応答への遷移が正確に再現された。
• 破壊誘発によるダイレタンシーの低下により、閉鎖圧が増加するに従いピーク強度が低下し、実験的観察と整合的であった。
• モデルは、広範な破壊イベントに起因する粒子径分布の進化を予測し、実際の材料劣化を反映した。
• 低圧領域における応力-ダイレタンシー-破壊関係が定性的に再現され、フレームワークの物理的整合性が裏付けられた。
• キャリブレーション手順により、実験データセットに適合するようモデルパラメータを有効にチューニングでき、複雑な塊粒体挙動の予測能力が示された。