IMPLEMENTATON AND VALIDATION OF ADVANCED CONSTITUTIVE MODELS FOR THE ANALYSIS OF HYDRO-THERMO-MECHANICAL INTERACTIONS IN GEO-ENVIRONMENTAL ENGENEERING PROBLEMS

Negli ultimi anni è aumentato notevolmente l’interesse per le analisi termo-idro-meccaniche sui mezzi porosi multifase, che possono essere ad esempio analisi rivolte allo studio del comportamento dei terreni in parziale o totale saturazione, per via della vasta gamma di applicazioni ingegneristiche che è possibile investigare. In particolare un’area di grande interesse è rappresentata dai problemi di Geomeccanica Ambientale, dove si incontrano fenomeni di considerevole importanza per la salvaguardia della società. Alcuni esempi sono la subsidenza dovuta all’estrazione di gas dal sottosuolo, iniezione di fluidi dentro acquiferi profondi o superficiali, stoccaggio a lungo termine di biossido di carbonio per la mitigazione del riscaldamento globale, innesco di frane, stoccaggio di scorie nucleari o pericolose e la stabilità delle barene marine. In tutte le situazioni menzionate, il terreno deve essere considerato come un mezzo poroso multifase, in condizioni anche non isoterme, costituito da uno scheletro solido e da vuoti riempiti da uno o più fluidi dove le interazioni fra tutti i costituenti non possono essere trascurate. In particolare nel caso di fluidi liquidi e gassosi, l’effetto delle pressioni capillari non può essere tralasciato a priori, come anche il cambiamento di fase dell’acqua liquida e del vapor acqueo. Lo scopo di questa tesi di dottorato è quello di contribuire a sviluppare uno strumento di carattere generale per l’analisi computazionale di problemi ingegneristici di geomeccanica ambientale e questo è stato fatto mediante l’implementazione e la validazione numerica di due modelli costitutivi avanzati nel codice agli elementi finiti COMESGEO. Considerando il mezzo poroso multifase costituito da uno scheletro solido deformabile dove i vuoti possono essere riempiti da acqua, vapore e aria secca (o un altro gas), tramite un approccio multiscala basato sulla teoria ibrida delle miscele, con opportune procedure di media sono state derivate le equazioni di bilancio del modello. Queste equazioni sono state poi discretizzate nello spazio e nel tempo per poter ottenere una soluzione numerica col metodo degli elementi finiti. I modelli costitutivi implementati sono i seguenti: 1. ACMEG-T per argille sature in condizioni non isoterme; 2. ACMEG-TS per argille parzialmente sature in condizioni non isoterme; 3. Pastor-Zienkiewicz per sabbie sature in condizioni isoterme; 4. Bolzon-Schrefler-Zienkiewicz per sabbie parzialmente sature in condizioni isoterme; 5. Bolzon-Schrefler per sabbie parzialmente sature in condizioni non isoterme. La validazione dell’implementazione numerica dei modelli costitutivi è stata fatta tramite il confronto fra i risultati F.E.M. e risultati sperimentali od ottenuti con il driver del modello. Le prove simulate sono di tre tipi: compressione isotropa, compressione edometrica e compressione triassiale eseguite in differenti condizioni di pressione di confinamento, temperatura e grado di saturazione per diversi tipi di materiale. Il lavoro di validazione è stato svolto in collaborazione col gruppo di ricerca del Prof. Lesse Laloui (EPFL di Losanna) e quello del Prof. Manolo Pastor (UPM di Madrid). Infine vengono mostrati alcuni risultati preliminari riguardanti due tipici problemi di Geomeccanica Ambientale, quali lo stoccaggio di scorie nucleari e la subsidenza, per dimostrare come con un modello termo-idro-meccanico di carattere sufficientemente generale, senza particolari assunzioni, sia possibile studiare un numero rilevante di problematiche inerenti i problemi di accoppiamento nei terreni.