Quantifying the influence depth of dynamic compaction using the discrete element method

Abstract

Dynamic compaction (DC) is a ground improvement method which increases the density of soil deposits. It involves the dropping of a tamper from height onto the ground surface at regularly spaced intervals, resulting in the densification of the soil mass to a depth, which is usually termed the depth, or zone, of influence. The influence depth (ID) is one of the critical design factors for quantifying the effectiveness of DC against various soil profiles. Over the past few decades, many studies have been carried out to quantify the ID associated with DC. The depth, however, is currently still calculated based on semi-empirical methods, which leads to either over- or underestimations of densification effectiveness in many field applications. In this study, computer simulations were conducted using the discrete element method (DEM). The DEM was implemented through the PFC2D software, which discretises the soil deposit into a large number of solid spheres. The observed model responses included the propagation of contact forces, particle displacement, and magnitudes of stresses. All of the factors mentioned above, besides the number of tamper blows, characterises the ID. The outcomes from the computer simulations were validated against the results of an ongoing laboratory study and previous field trials accessed from the literature. The simulation model established in this study is expected to predict the ID, and thus help optimize the DC design, such as the weight of the tamper, the number of blows and the grid spacing. = Le compactage dynamique (CD) est une méthode d’amélioration des sols qui augmente la densité des dépôts de sol. II implique la chute de dommage à partir de la hauteur à la surface du sol à des intervalles espacés régulièrement, ce qui entraîne la densification de la masse du sol jusqu’à une profondeur, qui est généralement appelée la profondeur (ou la zone) d’influence. La profondeur d’ influence (PI) est l’un des facteurs clés de conception pour quantifier l’efficacité de CD contre différents profils de sol. Les dernières décennies voient de nombreuses études ont été menées pour quantifier la PI associée à CD. Cependant la profondeur est actuellement toujours calculée à la base des méthodes semi-empiriques, ce qui conduit soit à des sur-estimations, soit à des sous-estimation de l’efficacité de la densification pour de nombreuses applications sur le terrain. Dans cette étude, des simulations informatiques ont été effectuées en utilisant la méthode des éléments discrets (MED). La MED a été mise en æuvre par le logiciel PFC2D, qui échantillonne le dépôt de sol dans un grand nombre de sphères solides. Les réactions des modèles observés comprenent la propagation des forces de contact, le déplacement des particules et des amplitudes de contraintes. Tous les facteurs mentionnés ci-dessus, outre le nombre de coups de sabotage, caractérisent la PD. Les résultats des simulations informatiques ont été validés contre les résultats d’une étude de laboratoire en cours et des essais précédents sur le terrain accessible à partir de la littérature. Le modèle de simulation mis en place dans cette étude devoit prédire la PD et donc optimise les facteurs de la conception du CD, telles que le poids de dommage, le nombre de coups et l’espacement de la grille.