Analisi numerico-sperimentale dei processi di rottura di grani di ballast ferroviario

As is well known, the ballast is a coarse aggregate that makes up the most superficial layer of a railway embankment. To study the mechanical characteristics that distinguish the ballast, the fundamental role played by the mechanical behaviour of the individual particles and their degradation is emphasized. The ballast is studied in this work at the micro scale, focusing on the single particle. The mechanical behaviour of the ballast is therefore studied by means of the Discrete Element Method (DEM), considered the most suitable instrument for studying the evolutionary nature of the material under examination, recreating the load conditions on the particle close to those found in the entire ballast layer. In literature there are examples of DEM simulations of the mechanical behaviour of crushable soils which, however, neglect the importance of the inclination of the applied load and use a modelling methodology based on heavily damped particle systems, subjected solely to mono-axial loading tests. The results depend therefore on inadmissible dynamic phenomena, due to particle accelerations. Through parametric analysis, drastically reducing the damping of the system and modifying the resistance parameters properly, a modelling procedure is attained to describe the mechanical behaviour of the material without undesired dynamic effects. This modelling methodology is validated by the experimental campaign, performed on a cemented gravel sample. In addition to parametric analysis, the other key issue of this work is the inclination of the applied force. Simulations of simple shear tests conducted on both granite and cemented material show the variability of breakage mechanisms depending on the inclination of the applied load. When a low normal load is applied, slipping phenomena are observed. Increasing the intensity of the normal load, the sample is fragmented by abrasion to reach a breakage in which fragments have comparable volumes, until splitting.

Come noto, il ballast è un aggregato grossolano che compone lo strato più superficiale del rilevato ferroviario. Al fine di studiare le caratteristiche meccaniche che contraddistinguono il ballast, si vuole evidenziare il ruolo fondamentale giocato dal comportamento meccanico delle singole particelle e dal degrado delle stesse. Il ballast è quindi studiato in questo lavoro secondo un approccio che prevede lo studio del materiale alla scala micro, concentrando l’attenzione sulla singola particella. Il comportamento meccanico del ballast viene dunque studiato mediante analisi col Metodo agli Elementi Discreti, ritenuto lo strumento più adatto a studiare la natura evolutiva del materiale in esame, ricreando le condizioni di carico sulla particella prossime a quelle riscontrabili nell’intero strato di ballast. In letteratura sono presenti esempi di simulazioni del comportamento meccanico dei terreni frantumabili che trascurano tuttavia l’importanza dell’inclinazione del carico applicato e ricorrono ad una metodologia di modellazione che prevede sistemi di particelle pesantemente smorzati, sottoposti unicamente a prove di carico monoassiale. I risultati che ne conseguono sono pertanto figli di fenomeni dinamici inammissibili, che dipendono dalle accelerazioni delle particelle. Attraverso un’analisi parametrica, riducendo drasticamente lo smorzamento del sistema e modificando opportunamente i parametri di resistenza si perviene ad una procedura di modellazione che descrive il comportamento meccanico del materiale senza effetti dinamici indesiderati. Questa metodologia di modellazione è validata dai risultati della campagna sperimentale condotta ad hoc su un campione in ghiaia cementata. In aggiunta all’analisi parametrica, l’altro argomento di primaria importanza è l’inclinazione della forza applicata. Simulazioni di prove di taglio semplice condotte sia sul campione di granito che di materiale cementato evidenziano la variabilità dei meccanismi di rottura in funzione dell’inclinazione del carico applicato. A bassi livelli di carico normale applicato si osservano fenomeni di scivolamento, aumentando l’intensità del carico normale il campione si frammenta per abrasione, per raggiungere una rottura in cui i frammenti hanno volumi confrontabili sino al vero e proprio splitting.