[논문 리뷰] A constitutive model for brittle granular materials considering the competition between breakage and dilation

Mehmet B. Cil, Ryan Hurley외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 20.

Geotechnical Engineering and Soil Mechanics참고 문헌 28인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비탄성 입자성 물질에서 파손과 팽창 간의 경쟁을 묘사하는 구성 모델을 제안한다. 파손 역학과 변형 연화 및 임계 상태 거동을 통합함으로써, 다양한 압축 조건에서 모래의 실험적 응력-팽창-파손 관계를 성공적으로 재현한다. 이는 피크 강도 감소와 팽창에서 압축으로의 체적 전이를 포함한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비탄성 입자성 물질에서 입자 파손과 팽창 간의 상호작용을 묘사하는 구성 모델을 개발하기 위해.
• 이전의 파손 역학 모델의 한계를 보완하기 위해 변형 연화 및 임계 상태 거동을 통합하기 위해.
• 증가하는 압축 조건 하에서 팽창에서 압축으로의 체적 반응 전이를 실험적으로 관측된 바와 같이 재현하기 위해.
• 정밀한 응력-변형 및 입도 분포 변화 예측을 위해 벤치마크 단순 축압축 데이터셋을 활용한 모델 캘리브레이션을 수행하기 위해.
• 저압 영역에서의 응력-팽창-파손 관계를 정성적으로 재현하기 위해.

제안 방법

• 모델은 파손에 의한 입자 크기 변화를 기술하기 위해 재구성된 파손 역학 이론에 기반한다.
• 밀도가 높은 시편에서 피크 이후 응력 감소를 묘사하는 변형 연화 법칙을 통합한다.
• 팽창은 전단 변형과 파손 진전의 함수로 모델링되며, 체적 팽창과 입자 파손 간의 경쟁을 반영한다.
• 파손과 팽창을 파손 감쇠 함수를 통해 결합하여 파손 증가에 따라 팽창이 감소하도록 한다.
• 핵심 매개변수를 결정하기 위해 두 모래에 대한 벤치마크 배수 조건의 축압축 데이터셋을 활용한 캘리브레이션 절차를 적용한다.
• 응력-변형 거동, 체적 변형 및 입도 분포 변화에 대한 실험 데이터와의 비교를 통해 모델의 유효성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입자 파손과 팽창 간의 경쟁은 비탄성 입자성 물질에서 피크 강도와 피크 이후 연화 거동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 증가하는 고정 압력 하에서 팽창 거동에서 압축 거동으로의 전이를 구성 모델이 어느 정도 정확하게 묘사할 수 있는가?
• RQ3 파손 진전은 파손 과정 중 입자성 물질의 응력-팽창 관계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 모델은 밀도가 높은 모래 시편에서 관측된 임계 상태 향한 변형 연화 거동을 재현할 수 있는가?
• RQ5 모델 매개변수는 입도 분포 및 체적 반응의 진전에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모델은 배수 조건의 축압축 하에서 팽창 거동를 보이는 시편에서 변형 연화 거동을 성공적으로 묘사하여 실험적 피크 이후 거동과 일치한다.
• 다양한 압축 수준에서 팽창에서 압축으로의 체적 반응 전이가 정확하게 재현된다.
• 압축 강도는 파손에 의해 팽창이 감소함에 따라 증가 압력에 따라 감소하며, 실험 관측과 일치한다.
• 모델은 분포된 파손 사건으로 인한 입자 크기 분포의 진전을 예측하여 실제 재료의 열화를 반영한다.
• 저압 영역에서 응력-팽창-파손 관계가 정성적으로 재현되어 프레임워크의 물리적 일관성을 검증한다.
• 캘리브레이션 절차는 실험 데이터셋에 맞게 모델 매개변수를 효과적으로 조정하여 복잡한 입자성 거동에 대한 예측 능력을 입증한다.