Testing and modeling the compressibility of crushable rockfill based on particle scale descriptors

Granular soils are susceptible to mechanical degradation due to particle crushing. This phenomenon can cause significant settlements in rockfill dams, mine waste rock piles or railway ballast. The effects of particle crushing can be captured by phenomenological constitutive models assuming a continuous media, even if breakage mechanisms occur at the grain scale. Therefore, to enhance those models, a better understanding of the links between micro- to macro-mechanical behavior is required. The main objective of this study is to develop a virtual test that can replicate the macro behavior of crushable rockfill by calibrating exclusively grain scale mechanical and geometrical properties. This will allow a deeper understanding of the multi-scale mechanisms governing the response of crushable coarse soils. Large oedometer tests on coarse crushed rock were conducted, as well as crushing tests on individual rock grains. In parallel, micro-mechanical simulations were performed in a virtual version of the laboratory specimen using the discrete element method (DEM). Digital realistic particle shapes were obtained from micro-CT scans, and particle breakage was simulated with the bonded cell method after calibration using crushing tests on individual grains. The results show that, as particle crushing increases during oedometric loading, the material becomes more compressible. The DEM numerical simulations can accurately replicate the experimental behavior and the evolution of grading upon crushing, by numerically reproducing the initial conditions of grading, characteristic grain shape, rock crushing strength and interparticle friction coefficient.

Résumé

Les sols granulaires sont sensibles à la dégradation mécanique due à La rupture des particules. Ces effets peuvent provoquer des tassements importants des barrages en enrochements, des haldes à stériles miniers ou des ballast ferroviaire. Les effets de la rupture des grains peuvent être capturés par des modèles constitutifs phénoménologiques supposant un milieu continu, même si les mécanismes de rupture se produisent à l'échelle des grains. Par conséquent, pour améliorer ces modèles, une meilleure compréhension des liens entre les comportements micro- et macro-mécaniques est nécessaire. L'objectif de cette étude est de développer un essai numérique capable de reproduire le comportement d'un enrochement en calibrant exclusivement les propriétés mécaniques et géométriques à l'échelle des grains. Ceci permettra d’obtenir une compréhension approfondie des mécanismes multi-échelle qui dominent le comportement. Des essais oedométriques de grande taille sur de la roche concassée grossière ont été réalisés, ainsi que des essais d'écrasement sur des grains de roche. En parallèle, des simulations micro-mécaniques ont été réalisées sur une version virtuelle de l'éprouvette de laboratoire par la méthode des éléments discrets (DEM). Des formes numériques réalistes de particules ont été obtenues à partir de scans micro-CT, et la rupture des particules a été simulée par la méthode des cellules cohésives, calibrée avec des essais d'écrasement sur des grains individuels. Les résultats montrent que, lorsque la rupture des grains augmente sous l'effet de la charge oedométrique, le matériau devient plus compressible. Les simulations numériques DEM permettent de reproduire avec précision le comportement expérimental et l'évolution de la granulométrie, en reproduisant numériquement la granulométrie initiale, la forme caractéristique des grains, la résistance à l'écrasement de la roche et le coefficient de frottement entre les grains.