Modellazione di problemi geotecnici idromeccanici usando il metodo del punto materiale

Questa tesi si occupa dell’adattamento del metodo del punto materiale all’analisi di problemi geotecnici che includono il comportamento idromeccanico dei materiali in condizione satura. Il Material Point Method o MPM (Sulsky et al. 1994, Sulsky et al. 1996) combina i vantaggi del metodo degli elementi finiti e dei metodi delle particelle. Potrebbe essere descritto come un’estensione del metodo degli elementi finiti in cui una mesh viene utilizzata per risolvere le equazioni di governo, mentre il continuum o il materiale è rappresentato da “punti materiali” o “particelle” langrangiane di massa fissa. Nel MPM le informazioni trasportate dalle particelle: quantità di movimento, stress, deformazione ecc. sono “proiettate” sulla mesh per ogni passo della soluzione. Copre l’intero dominio del problema e le condizioni al contorno sono imposte su di esso. Dopo aver risolto le forme discrete delle equazioni di governo sulla mesh, la posizione delle particelle e le informazioni che portano sono aggiornate. Così, alla fine di ogni passo, la maglia può essere scartata perché tutte le informazioni sono trasportate dalle particelle. Allo stesso tempo, si evita il groviglio di mesh per grandi spostamenti e problemi di convezione. Il metodo è particolarmente adatto a problemi dinamici con grandi spostamenti e deformazioni finite e incorpora naturalmente un algoritmo di contatto senza slittamento che facilita il suo uso in problemi di interazione solido-solido.
L’analisi di problemi geotecnici idromeccanici utilizzando l’MPM richiede lo sviluppo di algoritmi per risolvere l’accoppiamento tra lo scheletro del suolo e le fasi acqua e/o aria e la regolarizzazione del problema di localizzazione delle deformazioni per evitare che le soluzioni dipendano patologicamente dalla mesh, che nel caso dell’MPM è una mesh “di supporto”. In questo lavoro è stato sviluppato un algoritmo esplicito, nel quadro del Material Point Method, che risolve il problema accoppiato di pressione e spostamento dei pori. Inoltre, una procedura numerica per l’introduzione di forti discontinuità nel supporto della mesh
è stata adattata al MPM (Wells et al. 2001, Wells et al. 2002). È stato seguito dallo sviluppo del codice Geopart (Zabala et al, 2004) che usa una versione esplicita del MPM con un algoritmo incrementalmente obiettivo per deformazioni finite che include: costruzione, analisi accoppiata pressione-spostamento in tensioni efficaci e modelli costitutivi semplici.

In generale il collasso delle dighe di materiali sciolti è inammissibile. Le dighe usate per immagazzinare acqua sono situate in molti casi, a monte delle grandi città, in zone dove il rischio sismico può essere molto alto. D’altra parte, la maggior percentuale dei crolli avvenuti nel mondo sono dighe di sterili di miniera. In particolare, il crollo della diga di sterili di Aznalcóllar (Alonso et al. 2006, Alonso et al. 2006, Gens et al. 2006), che viene preso in questa tesi come caso studio, ha causato un danno ambientale molto importante. Questo è un caso molto interessante per le sue caratteristiche di cedimento progressivo, che è stato generato dalla costruzione estesa della diga durante molti anni e l’esistenza di un’argilla fragile di permeabilità molto bassa nella sua fondazione. La simulazione e la spiegazione del meccanismo di collasso osservato in Aznalcollar non è banale. È stata modellata la costruzione della diga e il processo del suo cedimento progressivo fino al collasso.
Inoltre è stato studiato il comportamento dinamico con grandi deformazioni di una diga di ghiaia con schermo di cemento situata in una zona dove la minaccia sismica è molto alta.

La simulazione è stata effettuata in una zona a rischio sismico molto alto.

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