DEM Modelling of Unbound Granular Materials for Transport Infrastructures : On soil fabric and rockfill embankments

• Unbound granular materials (UGM) are widely used as load-bearing layers and for embankment construction within transport infrastructures. These play a significant role on operation and maintenance of transportation systems. However, pavement and railway engineering still today rely heavily on empirical models based on macroscopic observations. This approach results in limited knowledge on the fundamentals at particle scale dictating the macroscopic response of the material. In this sense, the discrete element method (DEM) presents a numerical alternative to study the behaviour of discrete systems with explicit consideration of processes at particulate level. Additionally, it allows obtaining information at particulate level in a way that cannot be matched by traditional laboratory testing. All of this, in turn, can result in greater micromechanical insight.This thesis aims at contributing to the body of knowledge of the fundamentals of granular matter. UGM for transport infrastructures are studied by means of DEM in order to gain insight on their response under cyclic loading. Two main issues are considered: (1) soil fabric and its effect on the performance of coarse-fine mixtures and (2) modelling of high rockfill railway embankments. Among the main contributions of this research there is the establishing of a unified soil fabric classification system based exclusively on force transmission considerations that furthermore correlates with performance. In particular, fabrics characterized by a strong interaction between the coarse and fine fractions resulted in improved performance. A soil fabric type with a potential for instability was also identified. Regarding embankments, DEM modelling shows that traffic induced settlements accumulate on the top layers and therefore seem to be unaffected by embankment height above a certain value. A marked influence of degradation, even considering its nearly negligible magnitude, was observed, largely resulting in increased settlements.

• Grus i form av krossat bergmaterial används i stor utsträckning som obundna bär- och förstärkningslager inom transportinfrastrukturen och spelar där en viktig roll för drift och underhåll. Områden såsom väg- och järnvägsbyggnad bygger emellertid fortfarande väsentligen på empiriskt baserade modeller till stor del grundlagda på makroskopiska observationer. Denna metod resulterar i begränsad kunskap om de fundamentala mekanismerna på partikelnivå (d.v.s. enskilda gruskorn) som styr det makroskopiska verkningssättet. Mot denna bakgrund utgör den s.k. diskreta elementmetoden (DEM) ett numeriskt alternativ för att studera verkningssätt hos diskreta system där man explicit beaktar mekanismerna på partikelnivå. Dessutom gör DEM det möjligt att få information på partikelnivå på ett sätt som inte kan matchas med traditionella laboratorieförsök. Allt detta kan i sin tur resultera i större mikromekanisk insikt.Denna avhandling syftar till att bidra till kunskapen om grunderna för grusmaterialets verkningssätt. Obundna grusmaterial studeras med hjälp av DEM-modellering för att belysa verkningssätt under cyklisk belastning. Två huvudämnen beaktas: (1) skelettsstruktur och dess påverkan på verkningssättet för blandningar av fina och grova partiklar (2) DEMmodellering av höga järnvägsbankar. Bland de huvudsakliga forskningsbidragen är upprättande av ett enhetligt klassificeringssystem vad gäller skelettstruktur i grusmaterialet med enbart hänsynstagande till kraftöverföring som dessutom överensstämmer med grusmaterialets verkningssätt. I synnerhet observerades att skelettstrukturer som kännetecknas av en stark interaktion mellan grova och fina fraktioner resulterade i högre styvhet och mindre permanenta deformationer. Dessutom identifierades en typ av skelettstruktur med potential för instabilitet. Vad gäller järnvägsbankar visar DEM-modellering att trafikorsakade sättningar utvecklas främst på det översta lagret och därför inte påverkas av bankhöjden över ett visst värde. En väsentlig påverkan av nedbrytning, även med tanke på dess nästan försumbar storlek, observerades, vilket i hög grad resulterade i större sättningar.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Samhällsbyggnadsteknik -- Geoteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Civil Engineering -- Geotechnical Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

Discrete element method

granular materials

particle-scale behaviour

particle degradation

permanent deformation

resilient modulus

rockfill embankment

soil fabric

Diskreta elementmetoden

grusmaterial

verkningssätt på partikelnivå

nedbrytning

permanent deformation

styvhet

stenfylld bank

skelettstruktur

Transport Infrastructure

Transportinfrastruktur

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)