Use of Particulate Mechanics Concept in Characterizing Soil and Crop Residue Interaction in Tillage

Joash Bryan Adajar, Marolo Alfaro, Ying Chen

In the proceedings of GeoSt. John's 2019: 72nd Canadian Geotechnical Conference

Session: Numerical Modeling

ABSTRACT: Discrete Element Method (DEM) can be used to simulate and assess the performance of a conceptualized soil-engaging tool for tillage applications. In the design of a high-performance soil-engaging tool, it is important to study the interactions of materials involved during tillage: soil, crop residues, and tilling tool. This study focused on crop residues and their interaction with soil. Microparameters of crop residues and soil-residue interface were characterized by back-calculating it using DEM simulations of laboratory experiments. Laboratory experiments performed and simulated were ring shear and direct shear test. The DEM contact model used was linear contact model. Sensitivity analyses on the laboratory test models were performed and it revealed that both particle stiffness (k) and friction (µ) were influential for direct shear test while only µ was influential for the ring shear test. Sensitive microparameters were then thoroughly adjusted until the simulation results matched the laboratory test results. Characterized microparameters can be utilized in improving the reliability of soil-tool-residue DEM models used for tillage simulations.

RÉSUMÉ: conceptualisé. Dans les applications de travail du sol, il est important d'étudier l'interaction entre trois composants, à savoir: sol, résidus de culture et outil de travail du sol. Cette étude s'est concentrée sur les résidus de culture et leurs interactions avec le sol. Les microparamètres des résidus de culture et leur interface avec le sol sont caractérisés par un calcul rétroactif à partir d'expériences de laboratoire simulées. Les expériences de laboratoire réalisées et simulées sont des essais de cisaillement en anneau et de cisaillement direct. Le modèle de contact DEM utilisé était un modèle de contact linéaire. Les analyses de sensibilité ont révélé que la rigidité des particules (k) et le frottement (µ) étaient sensibles au test de cisaillement direct alors que seul le frottement (µ) était déterminant pour les tests de cisaillement en anneau. Les microparamètres sensibles ont ensuite été soigneusement ajustés jusqu'à ce que les résultats de la simulation correspondent aux résultats des tests de laboratoire. Avec une grande prudence, les microparamètres identifiés peuvent être utilisés pour améliorer la performance des simulations de travail du sol.

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Cite this article:
Joash Bryan Adajar; Marolo Alfaro; Ying Chen (2019) Use of Particulate Mechanics Concept in Characterizing Soil and Crop Residue Interaction in Tillage in GEO2019. Ottawa, Ontario: Canadian Geotechnical Society.

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