Microstructure-based modelling of the volumetric chemo-hydro-mechanical behaviour of clays

Pore fluid salinity has relevant effects on the hydro-mechanical behaviour of clays and its appropriate modelling is essential in many applications in the field of environmental geotechnics. Starting from microstructural observations, this research project aims at modelling the volumetric chemo-hydro-mechanical behaviour of clayey materials. The framework makes a clear distinction between non-active clays, for which salinity changes mostly affect the mutual orientation between single particles or between clusters of a limited number of particles, and active clays, for which salinity changes also impact on the volume of aggregates made of a larger number of particles. For saturated non-active clays, a simple chemo-mechanical model is formulated in the context of elasto-plasticity with generalized hardening. The model stems from physical evidences of the processes triggered by osmotic changes, and specifically on the influence that the osmotic suction has on the normal compression line of the soil. The modelling framework is extended to partially saturated non-active clays in saline environments. The extension is based on the observation that both increases in matric and osmotic suction are related to the transition from a closed to an open microfabric. The equivalence introduced between matric suction and osmotic suction, based on the anticipated effects on material microfabric, enables the reproduction of the joint effects of degree of saturation and salinity changes on non-active clays. As for active clays, the modelling framework is extended to account for aggregate evolution due to changes in pore fluid salinity and the consequent interaction between the micro and macro-structure. The effect of pore water salinity on retention properties of compacted active clays is reproduced adopting a double porosity framework. The role of the deforming aggregates is also accounted for in the elasto-plastic modelling of saturated active clays. The framework for describing their chemo-mechanical response stems from the model of non-active clays. Additional elements were introduced in order to incorporate explicitly the effects of chemical changes at the aggregate level and to consider the irreversibility of salinization and desalinization processes. Both chemo-mechanical models for non-active and active clays are used with success to simulate chemo-mechanical oedometer tests on reconstituted, compacted, and natural materials. The water retention model is also validated against experimental data from the literature, showing good predictive capabilities.

La salinità del fluido interstiziale ha effetti significativi sul comportamento idro-meccanico delle argille e la sua adeguata modellazione è essenziale in molte applicazioni nel campo della geotecnica ambientale. Partendo da osservazioni microstrutturali, questo progetto di ricerca mira a modellare il comportamento volumetrico chemo-idro-meccanico dei materiali argillosi. Nella tesi si fa una chiara distinzione tra argille non attive, per le quali le variazioni di salinità influenzano principalmente l'orientamento reciproco tra singole particelle singole o tra cluster di un numero limitato di particelle, e argille attive, per le quali i cambiamenti di salinità hanno anche un impatto sul volume degli aggregati composti da un numero maggiore di particelle. Per le argille sature non attive, viene formulato un semplice modello chemo-meccanico nel contesto dell'elasto-plasticità con incrudimento generalizzato. Il modello deriva da evidenze fisiche dei processi innescati da variazioni osmotiche e, in particolare, dall'influenza che la suzione osmotica ha sulla linea di normal compressione del terreno. La modellazione viene estesa ad argille non attive parzialmente sature in ambienti salini. L'estensione si basa sull'osservazione che entrambi gli aumenti di suzione di matrice ed osmotica sono legati alla transizione da una microstruttura chiusa ad una aperta. L'equivalenza introdotta tra la suzione di matrice e la suzione osmotica, basata sugli effetti previsti sulla microstruttura del materiale, permette di riprodurre gli effetti congiunti del grado di saturazione e dei cambiamenti di salinità sulle argille non attive. Per le argille attive, la modellazione è estesa per considerare l'evoluzione degli aggregati dovuta a variazioni di salinità del fluido interstiziale e alla conseguente interazione tra la micro e la macrostruttura. L'effetto della salinità del fluido interstiziale sulle proprietà di ritenzione delle argille attive compattate è riprodotto adottando una struttura a doppia porosità. Il ruolo degli aggregati deformanti viene anche considerato nella modellazione elasto-plastica delle argille attive sature. La descrizione della loro risposta chemo-meccanica deriva dal modello delle argille non attive. Sono stati introdotti elementi aggiuntivi per incorporare esplicitamente gli effetti dei cambiamenti chimici a livello di aggregato e per considerare l'irreversibilità dei processi di salinizzazione e desalinizzazione. Entrambi i modelli chemo-meccanici per le argille attive e non attive sono usati con successo per simulare prove edometriche chemo-meccaniche su materiali ricostituiti, compattati e naturali. Anche il modello di ritenzione è validato rispetto a dati sperimentali di letteratura, mostrando buone capacità predittive.