Spectral Analysis of the Response of Coarse Granular Material to Dynamic Penetration Test Modelled with DEM

Abstract

Dynamic penetration tests are often used to determine the strength properties of surface soils. The paper presents a study on the use of spectral analysis on dynamic cone penetration tests results, modelled with Discrete Element Method. This method is applied to assess the effect of the variation of the grain size distribution of the soil on test results. A two-dimensional discrete model is used to reproduce cone penetration tests in dynamic conditions: the tip of the penetrometer is driven in the material by successive impacts of a hammer on the penetrometer. For each impact of the hammer, a curve of the load applied by the tip on the soil is obtained versus the penetration distance of the tip. The curves of the load vs. penetration traditionally used to calculate the tip resistance of the soil are analyzed with Discrete Fourier transform in order to investigate curve's shape. The effect of the variation of the grain size distribution of the soil on these curves is investigated, i.e. average particle diameter and span of particle size distribution. It was found out that the grain size distribution influences tip resistance but also the shape and oscillation modes of the curve of the stress-penetration curve. Based on these indicators, the exploitation of the load-displacement curve obtained with dynamic penetration tests could be enlarged to determine other properties of the soils.

Estimación de la densidad seca de un relleno granular utilizando el penetrómetro dinámico de cono

“…En todos los estudios mencionados para realizar las correlaciones utilizaron como ensayo patrón el cono de arena y/o el densímetro nuclear, además se aprecia que las muestras utilizadas fueron arenas en su mayoría, las cuales muestran correlaciones optimas, se ve la ausencia de materiales granulares en este tipo de investigaciones. Por otro lado, también reportaron estudios realizados a través de modelos computacionales, donde usaron características de suelos granulares gruesos, realizaron modelos con el Método de Elementos Discretos (DEM) con el fin de apreciar la relación del tamaño de las partículas y su distribución ante el penetrómetro dinámico de cono, observando que el tamaño y distribución de partículas influyen en la resistencia a la penetración [12]. Asimismo en otra demostración, se evaluaron mediante Modelos de Elementos Finitos (FEM) la relevancia de la resistencia a la penetración en materiales granulares gruesos y cómo estas afectan la medición con el penetro-metro dinámico de cono, observando que a pesar de que el material sea grueso las fuerzas medidas en la punta del cono reflejan el estado mecánico del material en el sitio ensayado [13].…”