Experimental and numerical study of monotonic and cyclic simple shear tests on angular sands

An experimental and numerical study of simple shear tests has been performed on a coarse angular sand named “decogravel”. The tests were performed applying both monotonic (drained and undrained) and cyclic (just undrained) loadings. Two different densities and two different initial vertical effective stress were considered. The experimental simple shear tests were replicated with a three-dimensional DEM model. The behavior of the sample during the compression stage was investigated and it was compared with oedometer test results. The shearing stage was also investigated performing a comparison between laboratory tests and Distinct Element Method (DEM) simulations. The data gathered from oedometer tests were plotted against the consolidation phase of the shear tests. The behavior of the sample from these two tests was similar, proving that the apparatus used in this study can be exploited to reproduced consolidation behavior. During monotonic loading, for low shear strains, the DEM model simulation results became were similar to the experimental results whereas, for higher shear strains, significant differences emerged. This was observed in both drained and undrained conditions. Additionally, for undrained conditions, the stress path was investigated and critical state line was obtained where the critical friction angle founded by the DEM model is comparable to the experimental one. As a result of cyclic loading, the sample showed a cumulative decrease in effective stress while number of loading cycles increased, inducing progressive shear stiffness degradation.

La tesi presenta i risultati di una ricerca sperimentale e numerica riguardante delle prove di taglio semplice effettuate su una sabbia grossolana angolare denominata “decogravel”. Le prove sono state eseguite applicando carichi sia monotoni che ciclici. Le prove monotone sono state eseguite in condizioni drenate e non drenate, mente le prove cicliche sono state effettuate solo in condizioni non drenate. Le prove sono state effettate su provini di densità diversa, a due diversi livelli di sforzo verticale efficace. Il comportamento del materiale durante la fase di consolidazione è stato confrontato con i risultati sperimentali ottenuti attraverso prove edometriche, mentre la fase di taglio è stata riprodotta attraverso delle simulazioni DEM. Il confronto tra i risultati delle prove edometriche e della fase di compressione della prova di taglio ha dimostrato l’affidabilità di quest’ultimo per poter studiare la consolidazione del materiale. Per quanto riguarda la simulazione numerica della fase di taglio, in caso di carico monotono e piccoli valori di deformazione a taglio, il confronto con i dati sperimentali ha fornito risultati soddisfacenti; la differenza tra risultati sperimentali e simulazioni numeriche si è rivelata maggiore per deformazioni di taglio più elevate. Ciò è stato osservato sia in condizioni drenate che non drenate. Inoltre, per le condizioni non drenate, è stato simulato il percorso di tensionale, ottenendo una linea di stato critico con una obliquità confrontabile con quella ottenuta sperimentalmente. Come risultato della sollecitazione ciclica, il provino ha mostrato una diminuzione progressiva dello sforzo efficace con il numero di cicli di carico, e una conseguente degradazione della rigidezza al taglio.