Modellazione costitutiva del comportamento chemo-meccanico delle argille

The mechanical behaviour of clay has been proven to be affected by the pore fluid composition. Indeed, its variation causes physico-chemical phenomena involving clay particles, which lead to variations in the index properties, volumetric behaviour, shear strength and hydraulic conductivity of clay. It is important to consider such phenomena while interpreting results from laboratory tests to avoid incorrect evaluation of mechanical parameters of the soil with consequences of the design stage. Moreover, these processes should be taken into account in the design of protective barriers against contaminants transmission. In the first part of this Master Thesis, the physico-chemical phenomena due to the variation of the pore fluid composition have been studied for several clays. The variation of liquid limit, volumetric behaviour and shear strength have been analysed depending on the electrolyte in the solution. Indeed, the behaviour of a material in affected both by the pore fluid solution and by its initial chemical and mineralogical composition. After studying several existing ones, a new constitutive model for clay has been developed with the aim of faithfully reproduce the above mentioned physico-chemical phenomena by introducing a limited number of parameters. The constitutive model has been validated with experimental data reported in the literature. It has been proven that such parameters are enough for modelling the behaviour of some types of clays, while, when coping with clays whose main mineralogical component is bentonite, other parameters should be added. Therefore, the model has been expanded and validated with experimental data for these materials as well.

Numerosi studi presenti in letteratura hanno dimostrato come il comportamento meccanico delle argille sia sensibile alla composizione del fluido interstiziale. La variazione di quest'ultimo è causa di fenomeni fisico-chimici tra le particelle di argilla, generando dunque una variazione delle proprietà indice, del comportamento volumetrico, della resistenza a taglio e della conducibilità idraulica dell'argilla. Tali processi, se trascurati nell'interpretazione di risultati di prove di laboratorio, possono portare ad una valutazione non corretta dei parametri meccanici, influenzando la fase di progettazione. Inoltre, bisogna tener conto dei medesimi processi durante la realizzazione di barriere protettive contro gli agenti contaminanti. Nella prima parte del lavoro di tesi, sono analizzati i fenomeni fisico-chimici a seguito di una variazione della composizione del fluido interstiziale su differenti argille. Particolare attenzione è stata riposta sulla variazione del limite liquido, del comportamento volumetrico e della resistenza a taglio dovuta all'introduzione di differenti elettroliti. L'esposizione del medesimo materiale a diverse soluzioni è causa infatti di una risposta differente in funzione della composizione chimica e mineralogica iniziale. Successivamente, dopo aver analizzato vari modelli costitutivi chemo-meccanici presenti in letteratura è stato elaborato un modello costitutivo, in grado di riprodurre i fenomeni fisico-chimci sopracitati attraverso un numero limitato di parametri. La validità di tale modello è stata testata su dati sperimentali presenti in letteratura; in particolare viene mostrato come per alcune tipologie di argilla il modello costitutivo riesca a riprodurre correttamente i risultati sperimentali, mentre per argille particolarmente sensibili alla chimica del fluido interstiziale, aventi come componente mineralogica predominante la bentonite, è stata necessaria l'introduzione di parametri aggiuntivi all'interno del modello costitutivo originale che hanno permesso la corretta riproduzione dei dati sperimentali.