Three-dimensional scour due to circular jet in cohesive soil

[ITA] Numerose strutture idrauliche, quali scaricatori di piena, dighe e soglie in genere, danno luogo a getti d’acqua con elevato potenziale erosivo nei confronti del terreno sottostante. La progettazione di tali strutture richiede ai progettisti una stima quanto più possibile accurata delle caratteristiche geometriche dello scavo che si potrà originare a valle, onde scongiurare danni alle fondazioni. La maggior parte degli studi inerenti ai fenomeni erosivi a valle di getti d’acqua riguarda terreni granulari quali sabbia e ghiaia, il cui comportamento è determinato unicamente da forze inerziali. Al contrario, i terreni coesivi sono caratterizzati da forze attrattive interne che contribuiscono a determinarne il comportamento meccanico e la resistenza all’erosione. Tali forze dipendono da molteplici fattori e sono la causa principale delle diverse modalità erosive che caratterizzano i terreni coesivi. A causa dell’inerente complessità del problema, i terreni coesivi hanno ricevuto minore attenzione dalla comunità scientifica. L’obiettivo di questa tesi è analizzare il processo di scavo che si produce a valle di un getto d’acqua che impatta su un suolo coesivo. A questo scopo, sono stati condotti test sperimentali con l’utilizzo di un getto a sezione circolare posto a diversi angoli di inclinazione rispetto all’orizzontale (45°, 60°, 75° e 90°), e di un’argilla da manifattura costituente il materiale del fondo mobile. Oggetto principale dell’analisi sono stati i meccanismi e le morfologie di scavo, ivi compresa la loro evoluzione temporale. I risultati sperimentali hanno permesso di derivare equazioni empiriche per la stima delle principali caratteristiche geometriche della buca di scavo e della loro evoluzione nel tempo. Il presente lavoro contribuisce a chiarire gli aspetti fenomenologici inerenti lo scavo in terreni coesivi e la sua evoluzione temporale, nonché l’effetto dell’inclinazione del getto sulle caratteristiche del processo erosivo. [ENG] Assessing the erosive potentiality of turbulent jets is essential for a safe design of hydraulic structures such as dam spillways, culverts, and grade-control structures. While most studies on jet scour deal with cohesionless soils such as sand and gravel, the erosion of cohesive sediment has received less attention. Nevertheless, cohesive soils are omnipresent in fluvial environments, as riverbeds are usually characterized by a mixture of sand, clay, and silt. Consequently, to avoid structural damages of hydraulic structures and ensure their functionality, the erosional characteristics of cohesive soils must be carefully assessed. Cohesive soils are characterized by interparticle and interaggregate forces which significantly contribute to their resistance to erosion. Such forces depend on a wide number of parameters and are the main cause of the different modes of erosion exhibited by cohesive materials. This thesis aims at advancing current knowledge on scour due to a circular jet in cohesive soil. To this end, a series of experiments were conducted, involving a circular jet impinging on a bed made of pottery clay, at different inclinations with respect to the horizontal (45°, 60°, 75°, and 90°). Observed erosion mechanisms and scour hole morphologies are analyzed, including their evolution. Empirical equations are proposed to estimate the main geometrical features of scour hole at equilibrium and their time evolution. In so doing, this thesis offers further insights on the different modes of erosion of cohesive soils, on the peculiar temporal evolution of scour hole, and on the effect of the impinging angle on scour features.