Optimization of cushion layer performance with soil reinforcing structural elements in rockfall shelters

Rockfall is an extremely rapid process involving long travel distances. Rockfalls can substantially be a significant natural hazard to transportation and structures in steep mountainous terrain. Rockfall shelters, one of the possible protection systems, are commonly constructed to protect roads and railways situated below steep-sided valley walls. To withstand high impact energies, it is essential for a rockfall shelter to have a cushion layer. In such a context, this thesis describes a numerical study of the mechanical behaviour of granular cushion layer placed on a rigid reinforced concrete slab under the effects of rockfalls, Yade- Open Source Distinct Element Method is employed for this numerical study. This thesis, as an initial step, considered physical experiments conducted on a rigid reinforced concrete slab covered by a sand cushion. The numerical simulations concentrate on fundamental loading characteristics, impact force, stresses on a rigid slab, and duration of impact. The parametric study of micromechanical parameters and shelter related design parameters demonstrated, the results obtained from the numerical study are relatively reliable in understanding the relevant aspects of the impact loading phenomena. Increasing the thickness of the cushion layer increases the efficiency of the soil stratum in increasing the duration of impact and gradually decreasing the accelerations in the impacting body. However, this effect becomes negligible as thickness reaches 2m. This numerical study focuses on the optimization of cushion layer performance by introducing geogrid (HDPE). The specimen considered to reproduce the physical impact tests is studied under impacts, with the introduction of geogrid in the middle. The observations deduced, by implementing a grid in the soil stratum, the absorption system is able to distribute more the contact stresses from a localized impact point. With the observations, design analysis was performed on the cushion of 1.5m with a grid placed at three different distances from the rigid slab (0.5m, 0.75m, 1m). The results demonstrated that having a grid at 1m is effective in reducing the stress concentration under the impact area.

La caduta massi è un processo estremamente rapido che coinvolge lunghe distanze di viaggio. Le frane possono essere sostanzialmente un rischio naturale significativo per il trasporto e le strutture in terreni mon-tuosi ripidi. I paramassi, uno dei possibili sistemi di protezione, sono co-munemente costruiti per proteggere strade e ferrovie situate al di sotto delle pareti ripide delle valli. Per resistere a energie ad alto impatto, è essenziale che un riparo par-amassi disponga di uno strato di imbottitura. In tale contesto, questa tesi descrive uno studio numerico del comportamento meccanico dello strato di cuscino granulare posto su una soletta rigida in cemento armato sotto gli effetti di frane, il metodo degli elementi distinti Yade-Open Source è impiegato per questo studio numerico. Questa tesi, come primo passo, ha considerato esperimenti fisici condotti su una soletta rigida in cemento armato ricoperta da un cuscino di sabbia. Le simulazioni numeriche si concentrano sulle caratteristiche fondamentali di carico, forza d'urto, sol-lecitazioni sulla lastra rigida e durata dell'impatto. Lo studio parametrico dei parametri micromeccanici e dei parametri progettuali relativi al riparo ha dimostrato, i risultati ottenuti dallo studio numerico sono relativamen-te affidabili nella comprensione degli aspetti rilevanti dei fenomeni di carico d'impatto. L'aumento dello spessore dello strato di smorzamento aumenta l'effi-cienza dello strato di terreno nell'aumentare la durata dell'impatto e nel diminuire gradualmente le accelerazioni nel corpo impattante. Tuttavia, questo effetto diventa trascurabile quando lo spessore raggiunge i 2 m. Questo studio numerico si concentra sull'ottimizzazione delle prestazioni dello strato di imbottitura introducendo la geogriglia (HDPE). Il campi-one considerato per riprodurre le prove di impatto fisico viene studiato sotto gli impatti, con l'introduzione della geogriglia nel mezzo. Dalle os-servazioni dedotte, implementando una griglia nella falda del terreno, il sistema di assorbimento è in grado di distribuire maggiormente le sol-lecitazioni di contatto da un punto di impatto localizzato. Con le osserva-zioni, l'analisi progettuale è stata eseguita sul cuscino di 1,5 m con una griglia posta a tre diverse distanze dalla soletta rigida (0,5 m, 0,75 m, 1 m). I risultati hanno dimostrato che avere una griglia a 1 m è efficace nel ridurre la concentrazione di stress sotto l'area di impatto.