A numerical investigation of the structure of persistent shear bands in granular media

Abstract

The structure of persistent shear bands in granular materials is investigated by numerically simulating an idealized assembly of two-dimensional particles. Flexible stress-controlled boundaries are used instead of periodic boundaries to avoid constraining the motion of particles within the shear bands. The displacement, volumetric strain, void ratio, rotation of the particles, rotation of their neighbourhoods and contact orientation are examined within the shear band. The volumetric strain determined from local deformation gradients is found to overestimate dilatancy. The particle rotations are related to the rigid rotation of their neighbourhoods. The importance of rotations inside shear bands justifies the micropolar description of granular materials. Dans cet article, on étudie la structure des bandes de cisaillement permanentes en utilisant un modèle numérique d'un ensemble de particules dans un espace de dimension deux. On a remplacé les frontières périodiques par des frontières aux contraintes imposées afin d'éviter de restreindre le déplacement des grains dans la bande de cisaillement. On montre le déplacement, la déformation volumique, l'indice des vides, la rotation des grains, la rotation de leurs voisinages et l'orientation des contracts à l'intérieur de la bande de cisaillement. On trouve que la déformation volumique calculée d'après le gradient de déformation surestime la dilatance et que la rotation des grains est reliée à la rotation d'ensemble des particules voisines. L'importance des rotations confirme les hypothèses des milieux micropolaires de la théorie de Cosserat.