Cone penetration test in a virtual calibration chamber
Authors:   , Butlanska Joanna 
Published: July 2023

Cone penetration test (CPT) is a fast and reliable site investigation tool for exploring soils and soft ground. While the interpretation of the test results in clay has advanced considerably from a theoretical and numerical viewpoint that of tests in sands still relies largely on empirical correlations. A major source of such correlations comes from tests done in calibration chambers (CC), where soil state and properties might be tightly controlled. Calibration chambers are relatively large pieces of equipment, and calibration chamber testing is expensive and time consuming. Moreover, CC tests are performed on freshly reconstituted sands whose fabric may vary from that of natural sand deposits. Hence, correlations developed for one type of sand might not be suitable for another sand deposit. Numerical DEM-based calibration chambers might offer an interesting alternative to the more cumbersome physical tests. This study is the first attempt to perform a three-dimensional DEM-based simulation of cone penetration test. The three-dimensional commercial DEM code (PFC3D) is used to develop Virtual Calibration Chamber CPT (VCC CPT) model. To achieve that objective, several steps were necessary. First, calibration of an analogue discrete material to represent Ticino sand was performed using single-element tests. Afterwards, the mechanical response of the discrete material was further validated by performing additional triaxial tests with different initial conditions. The VCC CPT model was then constructed. Comprehensive dimensional analysis showed that the best option to balance computational efficiency and realism was to fill the chamber with a scaled-up calibrated discrete material. An original filtering technique was proposed to extract steady state cone resistances. A basic series of simulations was performed to explore the effect of initial stress and relative density in cone resistance. The results obtained from the simulations did fit closely the trends that had been previously established using physical chambers. That result was taken as a general validation of the proposed simulation approach. From the micromechanical point of view, the granular material is highly discontinuous and inhomogeneous. Obtaining a homogeneous initial state (especially in the zone of the penetrating cone) is crucial to obtain easily interpretable results. Specific procedures to assess initial state inhomogeneities were developed. DEM-based models can provide results at various level of resolution i.e. the microscale, the meso-scale and the macro-scale. A large series of VCC CPT has been performed. Simulations were performed for models with different horizontal servo-control walls, various sizes of chamber, cone and particles and two boundary conditions. The results were analyzed, focusing on aspects such as chamber size, particle size and boundary condition effects on steady state cone resistance values. A smaller number of tests have also been examined from the point of view of shaft resistance. Most trends and results obtained are shown to be in agreement with previous physical tests. When disagreements appear, the causes are identified: the most severe disagreements result from initial inhomogeneities in the discrete model. The work described in this thesis showed ease the burden of future CPT calibrations in granular materials.

Los ensayos de penetración estática de cono (CPT) son una de las herramientas más importantes en el reconocimiento geotécnico. La interpretación de los resultados de ensayo en arcilla ha avanzado considerablemente desde un punto de vista teórico y numérico. Sin embargo la interpretación de los resultados en los materiales granulares por ejemplo arena) todavía está basada en correlaciones empíricas provenientes de las pruebas realizadas en cámaras de calibración (CC), donde el estado del suelo y sus propiedades pueden ser controlados. Las cámaras de calibración son equipos relativamente grandes, y los ensayos en ellas son bastante costosos en tiempo y recursos. Por otra parte, las pruebas se realizan en muestras de arenas reconstituidas cuyas propiedades varían respecto de los depósitos naturales de donde provienen. Por lo tanto, las correlaciones desarrolladas en un tipo de arena podrían no ser adecuadas para otro depósito distinto. Cámaras de calibración numéricas (virtuales) basadas en el método de elementos discretos (DEM) podrían ofrecer una alternativa interesante a los ensayos físicos. Este estudio es el primer intento de realizar una simulación basadas en el método de los elementos discretos tridimensionales de ensayos de penetración de cono. El código comercial tridimensional (PFC3D) ha sido usado para desarrollar el modelo de CPT de Cámara de Calibración Virtual (CPT VCC). Para alcanzar este objetivo fueron necesarios varios pasos. En primer lugar, se llevó acabo la calibración de un material discreto análogo a arena de Ticino mediante ensayos elementales. A continuación se construyó el modelo CPT VCC. Un análisis dimensional exhaustivo mostró que la mejor opción para crear un modelo eficiente y real era llenar la cámara con un material con el tamaño de grano 50 veces mayor que el de la arena de Ticino. Se propuso una técnica original de filtrado para extraer la resistencia de punta estacionaria. Se realizó una serie básica de simulaciones para explorar el efecto de la tensión inicial y la densidad relativa sobre la resistencia de cono. Los resultados obtenidos de las simulaciones se ajustan estrechamente a las tendencias establecidas previamente en cámaras físicas. Este resultado fue tomado como una validación general del programa de simulación propuesto. Desde el punto de vista de la micro-mecánica, el material granular es muy discontinuo y no homogéneo. La obtención de un estado inicial homogéneo (especialmente en la zona de penetración del cono) es crucial para obtener resultados fácilmente interpretables. Por lo tanto se han desarrollado procedimientos específicos para evaluar heterogeneidades del estado inicial. Los resultados manifestaron el papel clave del contorno de modelo (paredes rígidas), tanto pasivo como activo (servo-controlados), durante la formación del modelo. Los modelos basados en el DEM puede proporcionar resultados a varios niveles de la resolución, es decir del micro-, meso- y macro escala. Se ha realizado una gran serie de VCC CPT. Las simulaciones se realizaron para modelos con diferentes posiciones en las paredes horizontales de servo-control, varios tamaños de cámara, varios tamaños del cono y de las partículas y dos condiciones de contorno. Los resultados se analizaron centrándose en varios aspectos como el tamaño de la cámara, el tamaño de las partículas y los efectos de condiciones de contorno sobre el valor de la resistencia de punta. Un número limitado de los CPT fue examinado desde el punto de vista de la resistencia del fuste del cono. Se observó que la mayoría de las tendencias y los resultados obtenidos estaban de acuerdo con resultados previos obtenidos en ensayos físicos. El trabajo presentado en esta tesis debería facilitar futuras calibraciones CPT en materiales granulados.