DEM numerical analysis of impacts on granular strata

Falling rocks are common in the alpine and pre-alpine areas. A better comprehension of the impact phase is necessary to improve our capability to predict the trajectory of the falling boulder and to improve the design methods for sheltering galleries. The prediction of the evolution of an impact is a particularly challenging problem in geotechnical engineering due to the multiplicity of factors influencing the response. In this thesis work, the impact of spherical rock blocks on granular strata has been studied by employing a numerical approach based on discontinuous mechanics the Discrete Element Method, in order to better understand the influence of the nature of the impacted material, of the inclination of the impacted stratum and of the initial conditions on the phenomenon. DEM allows to simulate also high energy and inclined impacts without the difficulties associated with physical experimental tests. With respect to other numerical tools, DEM can take into account of large displacements and permit to investigate the micromechanics of the material. Concerning the case of impacts on soil layers, the results have been also used to validate the prediction obtained with an approach based on continuum mechanics the BIMPAM model, in the modified formulation proposed by Dattola et al. This work shows the capability of DEM to predict the evolution of the acceleration of the impacting boulder, both for inclined and vertical impacts. An overestimation of the vertical displacement is observed, suggesting that a source of dissipation is not considered in the DEM model.

La caduta massi è comune nelle zone alpine e prealpine. Una migliore comprensione della fase di impatto è necessaria per migliorare la nostra capacità di prevedere la traiettoria del blocco caduto e per migliorare i metodi di progetto per le gallerie paramassi. La previsione dell’evoluzione di un impatto è un problema particolarmente stimolante in ingegneria geotecnica a causa della molteplicità di fattori che influenzano la risposta. In questo lavoro di tesi, l’impatto di blocchi di roccia sferici su strati granulari è stato studiato impiegando un approccio numerico basato sulla meccanica del discontinuo il Metodo degli Elementi Discreti, per meglio comprendere l’influenza della natura del materiale impattato, dell’inclinazione dello strato impattato e delle condizioni iniziali sul fenomeno. Il DEM consente di simulare impatti anche ad alta energia e inclinati, senza le difficoltà associate alle prove sperimentali. Rispetto ad altri metodi numerici, il DEM riesce a tenere in considerazione i grandi spostamenti e consente di investigare la micromeccanica del materiale. Per quanto riguarda il caso di impatti su strati di terreno, i risultati sono stati usati per validare le previsioni ottenute con un approccio basato sulla meccanica del continuo il modello BIMPAM, nella formulazione modificata proposta da Dattola et al. Questo lavoro mostra la capacità del DEM di prevedere l’evoluzione dell’accelerazione del blocco impattante, sia per impatti inclinati che verticali. Si osserva una sovrastima dello spostamento verticale, suggerendo che una fonte di dissipazione non è considerata nel modello DEM.