Finite element analysis of sedimentation and consolidation of soils

Sedimentation and consolidation are closely interconnected processes. However, theoretical models have been developed mainly for the two extreme stages of suspension and consolidation. Different authors attempted to formulate a unified theory for the two processes, often encountering numerical problems or being forced to define separate equations to solve the overall problem. In this thesis, the formulation of a unified theory with an interaction coefficient has been analysed and applied to the simulation of sedimentation-consolidation problems using finite element software COMSOL Multiphysics. A Lagrangian coordinate frame is considered to obtain solutions in large strain conditions. The capability of the model to reproduce real problems has been examined with greater detail compared to previous publications. A model capable of effectively simulating sedimentation and consolidation processes with an interaction coefficient has been firstly implemented. Then, the sensitivity of the model to the parameters introduced has been studied to understand their influence on the solution. Finally, the model has been applied to the simulation of experimental results from the literature, including deposition tests involving uniform suspensions of both fine and coarse grained soil and backfilling sedimentation tests of a sand-water mixture. In particular, the simulation of the backfilling test required the definition of an ad hoc numerical strategy to reproduce the injection of the sand-water mixture in Lagrangian coordinates.

Sedimentazione e consolidazione sono due processi strettamente connessi, sebbene storicamente siano stati sviluppati modelli teorici prevalentemente per le fasi di sospensione e consolidazione, piuttosto che teorie unitarie. Alcuni autori hanno cercato di formulare una teoria che riuscisse a simulare entrambi i processi, incontrando spesso problemi numerici o dovendo utilizzare equazioni distinte per risolvere il problema. In questa tesi è stata ripresa la formulazione di una teoria unitaria per i due fenomeni, tramite l’introduzione di un coefficiente di interazione. La teoria è stata quindi applicata alla simulazione di processi di sedimentazione e consolidazione utilizzando il software agli elementi finiti COMSOL Multiphysics e ricorrendo ad un sistema di coordinate lagrangiano per risolvere il problema in grandi deformazioni. La capacità del modello di riprodurre problemi reali è stata analizzata in modo più approfondito rispetto alle pubblicazioni precedenti. Inizialmente il modello è stato validato mostrandone la capacità di riprodurre separatamente processi di pura sedimentazione e di pura consolidazione in deformazioni finite. Una volta introdotto il coefficiente di interazione, è stata effettuata una analisi di sensitività rispetto ai parametri che caratterizzano il materiale. Infine, sono stati simulati i risultati di prove sperimentali da letteratura. In particolare, si è fatto riferimento a prove di sedimentazione e consolidazione di sospensioni inizialmente uniformi di materiali a grana fine e a grana grossa, nonché a prove di sedimentazione di una miscela di sabbia e acqua (mirate a riprodurre il rinterro di una trincea sottomarina). Queste ultime sono state riprodotte utilizzando un sistema di coordinate lagrangiano, proponendo una nuova strategia numerica per riprodurre l’iniezione di sabbia mantenendo la descrizione lagrangiana del processo descritto.