Optimization of granular cover for rockfall shelters

Design of sheltering structures which are the cushioning behavior of materials, such as sand and lightweight expanded clay aggregate (LECA), for the mitigation of the risk due to rapid and long spreading landslides, a crucial role is generally played by the assessment of the impact force exerted by the flowing mass on the artificial obstacles. It is numerically studied using a discrete element method (DEM) for the rational design and performance evaluation of a rock shed intended for rockfall protection. Several of the numerical analysis studies, conducted thus far, have focused on the maximum impact force which depends on the layer thickness of the cushioning materials and the falling conditions. DEM simulations are more and more used to solve selected real problems involving granular materials, both in the geotechnical engineering and chemical engineering fields. This approach involves a series of difficulties, which are related to the definition of the model itself and to the calibration of its micromechanical parameters. To investigate the cushioning performance of a sand and LECA cushion correctly and to propose effective and rational measures, the compression and expansion behaviors, which are characteristic of soil associated with deformation, should be considered. Therefore, the method is proposed here for determining the parameters of a 3D DEM simulation in order to consider the soil mechanical characteristics for the problem of rockfall impacts on a sand and LECA cushion. The proposed method was validated through a comparison of the simulation and experimental results using large-scale falling-weight impacts for different layer thicknesses of the sand/LECA cushion, initial relative densities, and falling heights of the falling mass. In this thesis, the main features involved with DEM modelling of granular materials are reviewed, and a simple modelling approach is proposed. Under the light of existing literature, a series of modelling guidelines are given, and the performance of the proposed approach tested by simulating the mechanical behavior of sand and LECA. Focused on this issue and in particular on the evaluation of the maximum impact force on the basis of the results obtained by performing an extensive numerical campaign by means of a 3D discrete element code, in which a dry granular mass is schematized as a random distribution of rigid spherical particles. Not only were the maximum impact forces compared, but also the changes in density of the cushioning material after the impact experiment. The present study contributes to the elucidation of the deformation mechanism of soil under high-speed loading and evaluates the performance of a sand and LECA cushion considering its deformation behavior. The granular mass is generated just in front of the obstacle: its initial volume, velocity distribution, height, length and porosity are arbitrarily assigned, and the impact process is exclusively analyzed. The initial conditions are varied to take a large variety of geometrical/mechanical factors, such as the initial front inclination, its height, the initial void ratio, the length of the impacting mass and the inter-particle friction angle, into consideration. A design formula is also proposed on the base of the obtained results and critically compared with the literature data.

Progettazione di strutture di riparo che siano il comportamento ammortizzante di materiali, quali sabbia e aggregato di argilla espansa leggera (LECA), per la mitigazione del rischio dovuto a frane a rapida e lunga propagazione, un ruolo cruciale è generalmente svolto dalla valutazione dell'impatto forza esercitata dalla massa in movimento sugli ostacoli artificiali. È studiato numericamente utilizzando un metodo ad elementi discreti (DEM) per la progettazione razionale e la valutazione delle prestazioni di un capannone roccia destinato alla protezione contro la caduta massi. Molti degli studi di analisi numerica, condotti finora, si sono concentrati sulla forza di impatto massima che dipende dallo spessore dello strato dei materiali di imbottitura e dalle condizioni di caduta. Le simulazioni DEM sono sempre più utilizzate per risolvere problemi reali selezionati che coinvolgono materiali granulari, sia nel campo dell'ingegneria geotecnica che dell'ingegneria chimica. Questo approccio comporta una serie di difficoltà, legate alla definizione del modello stesso e alla calibrazione dei suoi parametri micromeccanici. Per studiare correttamente le prestazioni di ammortizzazione di un cuscino di sabbia e LECA e per proporre misure efficaci e razionali, dovrebbero essere considerati i comportamenti di compressione ed espansione, che sono caratteristici del suolo associato alla deformazione. Pertanto, viene qui proposto il metodo per determinare i parametri di una simulazione DEM 3D al fine di considerare le caratteristiche meccaniche del suolo per il problema degli impatti di caduta massi su un cuscino di sabbia e LECA. Il metodo proposto è stato convalidato attraverso un confronto tra la simulazione e i risultati sperimentali utilizzando impatti di peso in caduta su larga scala per diversi spessori dello strato del cuscino di sabbia/LECA, densità relative iniziali e altezze di caduta della massa in caduta. In questa tesi vengono esaminate le principali caratteristiche coinvolte nella modellazione DEM di materiali granulari e viene proposto un approccio di modellazione semplice. Alla luce della letteratura esistente, vengono fornite una serie di linee guida di modellazione e le prestazioni dell'approccio proposto vengono testate simulando il comportamento meccanico della sabbia e del LECA. Incentrato su questo tema ed in particolare sulla valutazione della massima forza d'urto sulla base dei risultati ottenuti eseguendo un'ampia campagna numerica mediante un codice a elementi discreti 3D, in cui una massa granulare secca è schematizzata come una distribuzione casuale di particelle sferiche rigide. Non solo sono state confrontate le forze di impatto massime, ma anche i cambiamenti nella densità del materiale di imbottitura dopo l'esperimento di impatto. Il presente studio contribuisce alla delucidazione del meccanismo di deformazione del suolo sotto carico ad alta velocità e valuta le prestazioni di un cuscino di sabbia e LECA considerando il suo comportamento di deformazione. La massa granulare viene generata proprio di fronte all'ostacolo: il suo volume iniziale, la distribuzione della velocità, l'altezza, la lunghezza e la porosità vengono assegnati arbitrariamente e viene analizzato esclusivamente il processo di impatto. Le condizioni iniziali sono variate per prendere in considerazione una grande varietà di fattori geometrici/meccanici, come l'inclinazione iniziale del fronte, la sua altezza, il rapporto di vuoto iniziale, la lunghezza della massa impattante e l'angolo di attrito tra le particelle. Viene inoltre proposta una formula progettuale sulla base dei risultati ottenuti e confrontata criticamente con i dati di letteratura.