Experimental study on the coefficient of restitution of grain against block interfaces for natural and engineered materials

The coefficient of restitution (COR) is an important input parameter in the numerical simulation of granular flows, as it governs the travel distance, the lateral spreading, and the design of barriers. In this study, a new custom-built micromechanical impact loading apparatus is presented along with impact experiments on engineered and natural materials. The COR and energy loss of various grains and base block combinations are studied, including fairly regular-shaped Leighton Buzzard sand (LBS) grains as a natural soil and granite or rubber as base blocks, apart from the use of engineered materials for the grains (chrome steel balls, glass balls) and blocks (stainless steel, brass). The repeatability of the new micromechanical impact loading apparatus was checked by impacting chrome steel balls on stainless steel block. In all the test combinations, the higher and lower values of the COR are found for granite block (ranging between 0.75 and 0.95) and rubber block (ranging between 0.37 and 0.44) combinations, respectively. For the tested grain-block combinations, lower values of COR were observed for impacts between materials of low values of composite Young's modulus. However, within the narrow range of composite surface roughness of the tested grain-block interfaces no particular trend was observed in the COR values. Compared to glass balls and chrome steel balls, greater scatter in the COR values is observed for natural sand grains. This is due to the variation of the elastic and morphological characteristics among individual LBS grains. Key words: coefficient of restitution, energy loss, impact velocity, laboratory test, sand grains. Le coefficient de restitution (COR) est un parametre d'entree important dans la simulation numerique des flux granulaires, car il regit la distance de deplacement, l'etalement lateral et la conception des barrieres. Dans cette etude, un nouvel appareil micromecanique de chargement par impact construit sur mesure est presente, ainsi que des experiences d'impact sur des materiaux naturels et artificiels. Le COR et la perte d'energie de diverses combinaisons de grains et de blocs de base sont etudies, y compris les grains de sable de Leighton Buzzard (LBS) de forme assez reguliere comme sol naturel et le granit ou caoutchouc comme blocs de base, a part l'utilisation de materiaux artificiels pour les grains (billes d'acier au chrome, billes de verre) et les blocs (acier inoxydable, laiton). La repetabilite du nouvel appareil micromecanique de chargement par impact a ete verifiee par l'impact de billes en acier chrome sur un bloc en acier inoxydable. Dans toutes les combinaisons mises a l'essai, les valeurs les plus elevees et les plus basses du COR sont trouvees pour les combinaisons de blocs de granit (entre 0,75 et 0,95) et de blocs de caoutchouc (entre 0,37 et 0,44), respectivement. Pour les combinaisons grain-bloc mises a l'essai, des valeurs plus faibles de COR ont ete observees pour les impacts entre materiaux de faibles valeurs du module de Young composite. Cependant, dans la gamme etroite de rugosite de surface composite des interfaces grain-bloc testees, aucune tendance particuliere n'a ete observee dans les valeurs du COR. Par rapport aux billes de verre et aux billes d'acier chrome, on observe une plus grande dispersion des valeurs COR pour les grains de sable naturels. Cela est du a la variation des caracteristiques elastiques et morphologiques des differents grains de l'OBS. Mots-cles: coefficient de restitution, perte d'energie, vitesse d'impact, essai en laboratoire, grains de sable.
1. Introduction The collision behaviour between grains or grains with solid objects is of interest in various areas of geotechnical and geological engineering research, such as rock falls, landslides, debris [...]