DEM investigation on the initiation and propagation of compaction bands in porous rocks

A phenomenon belonging to the large family of localization instabilities is investigated. Compaction bands are tabular zones of compaction, with high volumetric deformations that form perpendicular to the maximum compressive stress. The microstructure of the material has an important role in the inception and propagation of compaction bands. The role played by the characteristic length of the material is investigated. The Distinct Element Method (PFC3D) has found to be an helpful numerical model for simulating the microstructure of the material. Two different materials were simulated. The first one, honeycomb, is a cellular material characterized by a regular geometry. In the DEM sample, particles, joined by means of parallel bonds, are disposed forming circular cells. In this material, tested under in-plane uniaxial conditions, the localization of compaction is governed by its particular geometry and a compaction band forms when a row of cells buckles. The experimental response was qualitatively reproduced implementing an elastic-plastic contact model. Cylindrical samples were compressed under oedometric conditions. A bonded material with high porosity was simulated. Particles, joined by parallel bonds with elastic-brittle behaviour, are randomly arranged around spherical macro-voids. Bonds are weaker with respect to grains and their collapse results in a sudden reduction in the void ratio limited to a single layer of the sample, forming a compaction band. In both the materials, the size of the voids represents the characteristic length that governs the phenomenon. By means of an analogical model, represented by a discrete number of springs connected in series, it was observed that the global response is influenced by the ratio between the height of the sample and the characteristic length of the material. Introducing an elastic-damage contact model, it is possible to show how the behaviour at the micro-level influences the global response and the phenomenon of compaction localization.

Le bande di compattazione sono un fenomeno di localizzazione delle deformazioni. Sono zone piane perpendicolari al massimo sforzo di compressione, in cui si hanno grandi deformazioni volumetriche. La microstruttura del materiale gioca un ruolo fondamentale nella formazione e nella propagazione delle bande di compattazione. Si vuole investigare come la lunghezza caratteristica del materiale influenza il fenomeno. Il Metodo degli Elementi Distinti (codice PFC3D) è uno strumento utile per simulare la microstruttura del materiale. Sono stati simulati due differenti materiali. Il primo, honeycomb, è un materiale cellulare con geometria regolare. Nel campione DEM, le particelle, unite da parallel bonds, vengono disposte formando celle circolari disposte nel piano. Si è osservato che in tale materiale, sottoposto a prove uniassiali nel piano, la localizzazione della compattazione è legata alla particolare geometria e la banda di compattazione si forma quando una linea di celle si instabilizza. La risposta sperimentale dell’honeycomb è stata qualitativamente riprodotta mediante l’implementazione di un modello di contatto elasto-plastico. Prove di compressione edometrica sono state eseguite su un campione cilindrico. E’ stato riprodotto un materiale cementato con elevata porosità. Le particelle, unite da parallel bonds con comportamento elasto-fragile, sono disposte in modo casuale attorno a macro-vuoti di forma sferica. Quando i bonds, più deboli dei grani, collassano, si ha una forte riduzione della porosità che è limitata a un singolo strato del materiale, generando una banda di compattazione che si inspessisce con l’aumento della compressione. In entrambi i materiali è evidente che la dimensione dei vuoti rappresenta la lunghezza caratteristica che governa il fenomeno. Mediante un modello analogico costituito da molle verticali in serie, si è osservato che il comportamento globale è influenzato dal rapporto tra l’altezza del campione e la lunghezza caratteristica del materiale. Introducendo un modello di contatto elasto-danno si è osservato che il comportamento a livello micro, influenza il comportamento globale e la localizzazione della compattazione.