Characterization of deformation mechanisms in biocemented granular materials

This thesis mainly concerns an advanced experimental approach to describe strain localization phenomena observed during triaxial compression tests on Ottawa sand. In-situ x-ray tomography has been used to follow 3D deformation process in bio-cemented and non-cemented dense specimens. The global stress-strain responses show that the bio-cementation process increases the shear strength (peak deviator stress is approximately doubled) and causes the material to exhibit a linear behaviour until the peak, as well as increasing the dilatancy angle. The residual strength of the two materials is very close at large strain. Quantitative 3D digital image analysis (porosity, cement-density and strain field measurements) reveals that a dilatant shear band gradually develops pre-peak in the reference material. The cemented sample however undergoes an abrupt change of deformation mechanism at peak stress: from homogeneous deformation to localised dilatant shearing, which is associated with a local loss of cementation. A numerical approach is further employed to reproduce strain localization mechanism in the uncemented sand. A classical elasto-plastic model is compared to a more advanced visco-plastic one. Both constitutive laws are implemented into a numerical code named TOCHNOG, taking into account a nonlocal formulation of the problem. Two-dimensional numerical simulations show that the visco-plastic model can reproduce the material behaviour more realistically from a global point of view, while both models can capture (with different precisions) the development of a dilatant shear band thanks to their nonassociativeness.

Il lavoro proposto dalla presente tesi si inserisce nel contesto della ricerca sperimentale e numerica riguardante il fenomeno della localizzazione delle deformazioni nei mezzi granulari. Nella parte sperimentale del lavoro, sviluppata presso il Laboratoire 3S-R di Grenoble, è stata utilizzata la tomografia in-situ ai raggi x applicata durante lo svolgimento di prove triassiali su provini di sabbia di Ottawa, sia allo stato denso non cementato, sia nella condizione di cementazione indotta attraverso processi microbiologici. Le risposte globali dei materiali rivelano come il processo di cementazione, a parità di densità relativa iniziale, conferisca alla sabbia una resistenza di picco al taglio praticamente raddoppiata rispetto al materiale allo stato naturale. Il materiale cementato è caratterizzato da un comportamento lineare fino al picco, a cui segue una rottura fragile con un conseguente incremento dell’angolo di dilatanza rispetto alla sabbia non cementata di riferimento. La resistenza residua alle grandi deformazioni è invece comparabile per entrambi i materiali. Il passo successivo nell’analisi sperimentale è consistito nell’applicazione dell’analisi digitale di immagini tridimensionali con particolare attenzione al calcolo della porosità, della distribuzione del cemento e della misura dei campi di deformazione. I risultati ottenuti in questa fase mostrano come, per il materiale di riferimento, si abbia uno sviluppo progressivo di una banda di taglio con caratteristiche dilatanti ben prima del picco di resistenza. Al contrario, la sabbia cementata è sottoposta ad un brusco cambiamento in corrispondenza del picco: da uno stato omogeneo di deformazione si passa ad una netta localizzazione, con una contestuale scomparsa dei legami cementati in corrispondenza della zone di condensazione delle deformazioni. Una successiva parte è dedicata alla simulazione numerica della localizzazione. A questo proposito, si è voluto comparare un semplice legame costitutivo elastoplastico con un più avanzato modello viscoplastico. La loro implementazione è stata effettuata nel codice numerico TOCHNOG, software di calcolo agli elementi finiti. Inoltre, per evitare una dipendenza dalla mesh si è preferito operare con un approccio non locale. I risultati delle simulazioni bidimensionali mostrano come, da un punto di vista della risposta globale, il modello viscoplastico riesca a riprodurre più fedelmente il comportamento del materiale rispetto al modello di riferimento. Entrambi i modelli costitutivi riescono invece a catturare, pur con precisioni differenti, la localizzazione delle deformazioni in bande di taglio grazie alla loro non associatività.