Sulla dinamica del suolo in condizioni gelanti : analisi di letteratura e proposizione di un modello idro-termo-meccanico accoppiato

Nowadays, the well-known global warming phenomenon, whose consequences range from the engineering to the environmental field, has gained more and more social, mediatic and scientific relevance. Soil of regions characterized by high latitude and remarkable presence of degrading permafrost shows a peculiar behaviour, called frost heave. This phenomenon, since it differentially lifts the ground level inducing high infrastructural damages, has driven the scientific community to express it in mathematical form. Therefore, this thesis is part of a wider modelling project that, even though existing since the ’70s, hasn’t yet provided convincing answers; in fact the only aspect that is often put in light is the hydraulic one, neglecting the mechanical issue mainly responsible for the mentioned problems. After a first introductory and descriptive part, some essential theoretical elements are recalled in order to promote the understanding of the topic, which boasts a high complexity level. In the second part of the discussion the recent literature is analysed, highlighting conceptual pros and cons. In the third and last part a new innovative contribution is proposed: an analytic hydro-thermo-mechanical physically-based model. The analysis of the stress state, which is coupled with the other elements, is particularly relevant because it considers not only soil volumetric expansion, but also shear behaviour.

Ad oggi, uno dei temi che hanno acquisito sempre maggior rilevanza mediatica, sociale e scientifica è rappresentato dal ben noto fenomeno del surriscaldamento globale, le cui conseguenze spaziano dall’ambito ingegneristico a quello ambientale. Considerando territori caratterizzati da alte latitudini e rimarchevole presenza di permafrost, è ben constatabile come la degradazione dello stesso provochi un peculiare comportamento del terreno, denominato frost heave. Tale problematica si concretizza in un sollevamento differenziale del piano campagna che, stanti i conseguenti notevolissimi danni infrastrutturali, ha motivatamente spinto la ricerca nella direzione di tradurne il comportamento in forma matematica. La presente tesi si inserisce dunque in un più ampio progetto di modellazione il quale, sebbene abbia visto la sua nascita negli anni ’70, non ha tuttora fornito risposte convincenti; molto spesso difatti viene posta unicamente l’enfasi sull’aspetto idraulico del fenomeno, trascurando la componente meccanica primariamente responsabile dei disagi menzionati. A fronte quindi di una prima parte introduttiva di carattere descrittivo, si richiamano alcuni indispensabili elementi teorici necessari alla comprensione dell’argomento, il quale vanta dalla sua un elevato grado di complessità. Nella seconda parte della trattazione si procede alla discussione critica inerente la più recente letteratura, evidenziandone pregi e debolezze concettuali. Nella terza e ultima parte viene infine proposto un inedito contributo innovativo, identificantesi con la formalizzazione analitica di un nuovo modello matematico idro-termo-meccanico fisicamente basato. Di particolar rilevanza è l’analisi dello stato tenso-deformativo del suolo conseguente alle sollecitazioni di natura accoppiata, aspetto questo traducente non solo il rigonfiamento volumetrico sopra esposto, ma anche il comportamento tagliante.