Evaluation of the stress-strain uniformities in the direct simple shear device using 3 D discrete element modeling

The direct simple shear (DSS) test has been widely used to characterize soil behavior particularly under cyclic loading. Assessing the degree of uniformity of stresses and strains within the DSS specimen is important for the use and interpretation of the results emanating from testing. So far, studies on non-uniformities in the DSS test have been conducted using direct boundary measurements of stresses in laboratory specimens supported with a continuum based analytical approach. With the recent advances in computers, it is now possible to more realistically model soil particles as discrete elements. PFC 3.1 (Particle Flow Code developed by Itasca) was used in this study to investigate the degree of non-uniformities of stresses and strains in a cylindrical specimen subjected to simple shear boundary conditions. The approach allows for the determination of stresses not only at the boundaries, but also within the DSS specimen. It was found that both shear and normal stresses are non-uniform near the specimen boundaries, with stresses becoming more uniform in the central parts of the specimen. This is in general agreement with findings of previous studies from continuum based analyses and boundary measurements. The computed stress ratios, along the central plane parallel to the direction of shearing, were found to be more uniform compared to the non-uniformity arising from individual stresses; this implies that the stress ratio calculated from average stress measurements is still fairly reliable. The presence of some friction on the lateral walls seems to have little effect on the measured stresses and strains in the specimen during shearing when compared to the ideal case with frictionless lateral boundaries. RÉSUMÉ L'essai de cisaillement simple direct (CSD) a été couramment employé pour caractériser le comportement de sol en particulier sous charge cyclique. L'évaluation du degré d'uniformité des contraintes et déformations dans le spécimen dans le CSD est importante pour l'interprétation et usage des résultats émanant de l'essai. Jusqu'ici, les études sur les non uniformitées dans l'essai SCD ont été entreprises utilisant des mesures directes de frontière des efforts dans les spécimens de laboratoire soutenus par une approche analytique basée en continuum. Avec les avances récentes des ordinateurs, il est maintenant possible de modeler plus réalistiquement les particules de sol comme élements discrets. PFC3D 3.1 (code d'écoulement de particules développé par Itasca) a été employé dans cette étude pour étudier le degré de non uniformitées des contraintes et déformations dans un spécimen cylindrique dans des conditions de frontière de cisaillement simple. L'approche permet de déterminer les efforts non seulement aux frontières, mais également dans le spécimen de CSD. On a constaté que le cisaillement et efforts normaux sont non uniformes proches des frontières du spécimen, avec les efforts devenant considérablement uniformes dans les parties centrales du spécimen. C’est résultats sont en général en accord avec des résultats des études précédentes d’ analyses basées en continuum et des mesures de frontière. Les rapports de contraintes calculés le long du plan central parallèle à la direction du cisaillement, sont plus uniforme comparés à l'irrégularité résultant des efforts individuels; ceci implique que le rapport de contraintes calculé à partir des mesures moyennes d'effort est encoré assez fiable. La présence de friction sur les murs latéraux semble exercer peu d'effet sur les contraintes et déformations mesurées dans le spécimen comparés au cas idéal de frontières latérales sans friction.