A GEOMECHANICAL PERSPECTIVE ON SOIL 3D PRINTING

3D printing of soils is an emerging technology with significant potential to be implemented for future geotechnical applications, particularly where the controlled arrangement of soil fabric may play a key role in the hydraulic and mechanical performance of the material. However, current studies on soil 3D printing are still largely empirical, and a clear geomechanical interpretation of the process and of the behaviour of the printed material is still limited. This thesis investigates the 3D printing of clayey soils from a geotechnical perspective, focusing on how the printing process affects the formation of a double-structured fabric and, consequently, the hydro-mechanical behaviour of the printed soil. A framework is developed to describe the index properties of organised 3D-printed soil structures, while experimental campaigns are carried out to investigate rheological behaviour, water retention behaviour, hydraulic conductivity, and mechanical response under saturated and unsaturated conditions. The results show that, although current printing systems still require important improvements, as discussed throughout the work, 3D printing can be used to generate a controlled macrostructure within clayey soils. This may allow hydraulic conductivity and the degree of macropore interconnection to be tailored, providing preliminary evidence of the potential of this technology for engineered geo-barriers and other automated geotechnical applications.

La stampa 3D di terreni è una tecnica di manifattura additiva con elevata potenzialità nell’automatizzare i processi costruttivi che impiegano le terre per la realizzazione di infrastrutture. In particolare, la stampa 3D applicata ai terreni potrebbe rendere possibile un controllo avanzato dell’organizzazione della tessitura del terreno, in funzione delle specifiche prestazioni richieste ai diversi manufatti, giocando quindi un ruolo potenzialmente chiave nel governare il comportamento idro-meccanico del materiale. Tuttavia, gli studi attuali sulla stampa 3D dei terreni sono ancora in larga parte empirici, e una chiara interpretazione geomeccanica del processo e del comportamento del materiale stampato risulta ancora limitata. Il presente lavoro di tesi si pone quindi l’obiettivo di contribuire a colmare le lacune presenti nella letteratura attraverso un approccio geomeccanico, cercando di definire i limiti entro i quali è possibile ottenere una manipolazione dettagliata della struttura mediante questa tecnologia, nonché di valutarne l’effettiva potenziale applicabilità in opere geotecniche, come ad esempio la realizzazione automatizzata di geo-barriere.Viene quindi inizialmente sviluppato e validato un modello per descrivere le proprietà indice di campioni argillosi stampati in 3D con doppia struttura, definite come microstruttura e macrostruttura. Quest’ultima è organizzata mediante una geometria semplice, che permette di ottenere diversi gradi di interconnessione dei macropori. Le successive campagne sperimentali condotte indagano il comportamento reologico, il comportamento di ritenzione idrica, la permeabilità idraulica e la risposta meccanica in condizioni sature e di parziale saturazione.I risultati mostrano che, sebbene le prime generazioni di stampanti 3D per terreni richiedano ancora importanti miglioramenti, discussi nel corso del lavoro, la stampa 3D può essere efficacemente utilizzata per generare una doppia struttura controllata all’interno di terreni argillosi. Ciò può consentire di modulare la conducibilità idraulica e, allo stesso tempo, il grado di interconnessione dei macropori, fornendo prime evidenze sperimentali del potenziale di questa tecnologia per la realizzazione di geo-barriere ingegnerizzate, così come per altre applicazioni geotecniche in maniera automatizzata.