SIMULACION DE ENSAYOS TRIAXIALES DE ´ GRAN ESCALA MEDIANTE EL METODO DE ´ ELEMENTOS DISCRETOS

Abstract

El comportamiento de materiales granulares de gran tama˜no sometidos a altas pre siones ha sido estudiado en el pasado por diversos autores, sin embargo, a´un existen una serie de restricciones e inconvenientes t´ecnicos que condicionan el estudio apropiado de estos materiales. Cuando hablamos de materiales granulares de gran tama˜no nos referi mos a materiales provenientes principalmente de la industria minera donde las part´ıculas provienen de procesos de tronadura o extracci´on mecanizada, y acopiadas seg´un su uso en estructuras como botaderos o stockpiles. Sus propiedades se encuentran directamente relacionadas a las propiedades de la roca de origen, presencia de estructuras y al proceso de extracci´on. Leps en 1970 en base a una recopilaci´on de ensayos experimentales fue uno de los primeros en proponer una serie de curvas de dise˜no para estimar la envolvente de falla de materiales granulares gruesos seg´un el nivel de confinamiento como al origen del material. Estas curvas se han actualizado a lo largo de los a˜nos con nuevos ensayos triaxiales drena dos en suelos gruesos y enrocados (dmax ≥ 100 mm), pero su uso se limita hasta presiones de confinamiento de hasta 10 MPa. Si consideramos los dise˜nos actuales y futuros en la industria minera se obtiene que para botaderos de lastres con alturas (proyectadas) de 1000 m las presiones de confinamiento superar´ıan los 15 MPa. Esto implica en la pr´actica que reproducir las condiciones de terreno a escala de laboratorio ser´ıa muy complejo. Esta investigaci´on propone la generaci´on de un modelo num´erico que permita predecir el comportamiento de suelos granulares y enrocados a altas presiones de confinamiento en base a la simulaci´on de un ensayo triaxial de gran escala utilizando el m´etodo de elementos discretos (DEM). El DEM permite modelar cada part´ıcula de suelo como un elemento num´erico (esfera, poliedro, etc.) calculando el movimiento y fuerzas a los cuales ´esta sometida cada una de ellas. El modelo fue implementado utilizando el software libre LMGC90 el cual se enfoca en el m´etodo NSCD (Din´amica de Contacto no suave), donde sus principales caracter´ısticas son la unilaterilidad y las leyes de contacto [Rad11]. El esp´ecimen num´erico de triaxial est´a conformada por part´ıculas esf´ericas perfecta iii mente r´ıgidas, las cuales se distribuyen seg´un una gradaci´on definida [Bes12] y con una ley de interacci´on Choque quasi inel´astico - Coulomb. Esta configuraci´on permite replicar todo el procedimiento real de un ensayo. Para esto la simulaci´on se separ´o en tres etapas: (1) generaci´on de la probeta por capas en donde se conforma el esp´ecimen bajo deposi taci´on por gravedad y compactaci´on; (2) estabilizaci´on en donde la probeta de triaxial se le aplica el confinamiento inicial; y (3) simulaci´on del ensayo triaxial bajo una velocidad de corte previamente definida. Para validar el modelo num´erico propuesto se realiz´o una calibraci´on con datos experi mentales disponibles del triaxial de gran escala perteneciente a IDIEM de la Universidad de Chile. Con la informaci´on generada tras las simulaciones se busca validar los diferentes su puestos planteados respecto al comportamiento de los materiales granulares sometidos a altas presiones de confinamiento. Los par´ametros estudiados fueron la densidad de la pro beta, coeficiente de fricci´on seca µ, presi´on de confinamiento, velocidad de ensayo y efecto del di´ametro m´ınimo de la gradaci´on de confecci´on de la muestra num´erica. De lo cual se concluye que para una muestra confeccionada por elementos esf´ericos perfectamente r´ıgidos, la resistencia al corte se ve gobernada principalmente por el n´umero de part´ıcu las (n´umero de interacciones) y la configuraci´on interna de ´estas dentro de la muestra (compacto/suelto).

The behaviour of large granular materials subjected to high pressures has been studied in the past by various authors; nevertheless, there are still several technical restrictions and drawbacks that condition the proper study of these materials. We refer to large granular materials to those coming mainly from the mining industry, where the particles are the result of blasting or mechanised extraction processes, and collected according to their use in structures such as waste rock dumps or stockpiles. Their properties are directly related to the properties of the rock, including the presence of structures. Leps in 1970 based on a collection of experimental data proposed a series of design curves to estimate the failure envelope of coarse granular materials according to the con finement pressure and origin of the material. These curves have been updated over the years with new drained triaxial tests in coarse and rocky soils (dmax ≥ 100 mm), but their use is limited to confinement pressures up to 10 MPa. Considering the current and future designs in the mining industry where mine waste rock dumps are projected to reach 1000 m, confinement pressures would exceed 15 MPa. In practice, reproducing these new ground conditions on a laboratory scale will be very challenging. This research proposes a DEM (discrete element method) numerical model to study the behaviour of granular and rocky soils at high confinement pressures based on the simulation of a large-scale triaxial test. The DEM allows for the modelling of individual particles as a numerical element (sphere, polyhedron, etc.) by calculating the movement and reaction forces. The model was implemented using the free, open-source software LMGC90, which focuses on the NSCD method (Non-Smooth Contact Dynamics), [Rad11]. The numerical triaxial specimen is made up of perfectly rigid spherical distributed according to a defined gradation [Bes12] and with a quasi-inelastic shock-Coulomb in teraction contact law. This configuration allows reproducing the entire process of a real experimental test. For this purpose the simulation was divided into three stages: (1) ge neration of the specimen through eight layers of particles, each one formed under gravity deposition and following compaction; (2) stabilisation of the sample where the initial con v finement is applied; and (3) simulation of the triaxial test under a previously defined shear rate. To validate the proposed numerical model, a calibration was performed with available experimental data of the large scale triaxial belonging to IDIEM of the University of Chile. Through the simulations, parameters such as the density of the specimen, dry friction coefficient µ, confinement pressure, loading rate and grain size distribution, were analysed. The results show that for a sample made of perfectly rigid spherical elements, the shear strength is mainly governed by the number of particles, and therefore the number of interactions, and the internal configuration of the particles within the sample. The results show an initial, more rigid response for axial strains below 5 %, leading to higher internal friction angles. These results are consistent with the use of perfectly rigid elements where no particle rupture or grain-size variation is allowed during the test.