THREE-DIMENSIONAL COUPLED FEM MODELLING AND PROGRAMMING OF PARTIALLY SATURATED POROUS MEDIA

Lo scopo del lavoro presentato con questa tesi è di studiare il comportamento dei terreni in stato di totale e parziale saturazione, comportamento che può essere anche esteso ad altri geomateriali come il calcestruzzo. Il modello fisico - matematico proposto in questo lavoro è denominato termo- idro- meccanico in formulazione accoppiata, adatto ad analisi di consolidazione / subsidenza per suoli non saturi. La formulazione accoppiata può essere quindi qualificata come u – pw – pg – (T), attraverso l’introduzione delle variabili di stato, che qui sono: il campo degli spostamenti u, il campo di pressione liquida (acqua) pw e quello di pressione del gas (aria secca e vapore acqueo) pg ed eventualmente la temperatura T coinvolta nella modellazione di processi non isotermi. Data la coesistenza di due differenti fasi fluide, liquida e gassosa, il modello può essere visto come un approccio multifase al mezzo poroso deformabile, come già proposto da Lewis and Schrefler nel contesto della teoria delle miscele ibride per mezzo poroso, inizialmente presentata da Hassanizadeh and Gray e Zienkiewicz et al. L’evoluzione a scala macroscopica delle variabili di stato menzionate sopra, in particolare delle pressioni del liquido e del gas, sono fondamentalmente influenzate dalla microstruttura del materiale che caratterizza il comportamento del suolo in relazione agli effetti capillari e alla deformabilità. L’approccio fisico proposto qui è basato sull’uso di tecniche di media applicate alle grandezze fisiche stimate su un volume rappresentativo elementare (REV). Con l’aggiunta di funzioni di ritenzione dell’acqua che forniscono una descrizione della relazione che esiste tra pressione capillare e grado di saturazione dell’acqua, si può ottenere un set completo di equazioni di bilancio di massa per i fluidi e di equilibrio meccanico e termodinamico per il mezzo a scala macroscopica. Una formulazione accoppiata termo-idro-meccanica u – p – (T) che tratta mezzi porosi completamente saturi è stata implementata con successo in passato nel codice bidimensionale a elementi finiti PLASCON e le successive estensioni alla tridimensionalità con PLASCON3D. Il presente lavoro si focalizza sull’estensione e aggiornamento della relativamente semplice teoria a singola fase, con relative implementazioni numeriche, verso una più realistica descrizione multifase del materiale poroso, dove i vuoti possono essere riempiti da liquido e gas che interagiscono tra loro attraverso il concetto di pressione capillare. Sulla base delle versioni precedenti è stato realizzato un codice chiamato PLASCON3D_PS che implementa la formulazione accoppiata u – pw – pg – (T). Data la mancanza in letteratura di test sperimentali e numerici su domini tridimensionali, verranno presentati alcuni risultati numerici di benchmark test e casi reali derivanti da domini bidimensionali.