Design and building of a laboratory-scale physical model to investigate erosion in embankments

Internal erosion is a phenomenon that can lead to the collapse of earth works and occurs in different ways. It consists of the detachment and washout of the finest soil particles by a flow of underground water, which may occur in a diffuse (suffusion) or localised (piping) manner. Several small- and medium-scale physical experimental models have been developed over the years to assess the influence of different factors on internal erosion phenomena, but they are characterised by some limitations. The aim of this thesis was to develop a new, more versatile device called the Erosion-Piping Box (EPBox) that overcomes some of these limitations. The EPBox allows to analyse internal erosion phenomena on models of various dimensions, performing pressurised tests to reach high gradients and reconstructing the model for layers that have a chosen inclination with respect to the flow direction. The general operating scheme of the EPBox can be described with an upstream and a downstream reservoir through which a hydraulic head difference, and hence a gradient, is applied to the sample, or embankment model, placed between them. The device is equipped with a hydraulic circuit to maintain constant levels in the reservoirs, a system for measuring pore pressures, and a system for collecting material that is eroded. For the validation tests, a material with a gradation susceptible to internal erosion was used, consisting of glass spheres with diameters between 0.07 mm and 2 mm, whose hydraulic conductivity was estimated using a permeameter and whose compaction properties were estimated. The permeameter was suitably modified to also measure the amount of eroded material over time when progressively higher hydraulic gradients were applied. After a few tests to validate the EPBox, a series of tests were carried out with different gradients to see the effect on the amount of material eroded over time and the hydraulic conductivity, including how the different particles are displaced within the sample. From the tests it was possible to observe the effect of the gradient on the estimation of k and on the amount of eroded material, which increased with i in both vertical and horizontal tests. The EPBox tests showed a decrease in the amount of eroded material during the tests also due to the formation of pipes that allow water to pass easily through the sample. In addition, the internal erosion process acts on the medium and fine particles, dragging them towards the downstream reservoir.

L’erosione interna è un fenomeno che può indurre il collasso di rilevati in terra e si manifesta con differenti modalità. Consiste nel distacco e dilavamento delle particelle più fini del terreno ad opera di un flusso d’acqua sotterraneo, che può avvenire in modo diffuso (suffusion) o localizzato (piping). Sono stati sviluppati nel corso degli anni numerosi modelli sperimentali fisici a piccola e media scala per valutare l’influenza dei diversi fattori sui fenomeni di erosione interna, ma caratterizzati da alcune limitazioni. L’obiettivo della tesi è stato quello di realizzare un nuovo dispositivo più versatile, denominato Erosion-Piping Box (EPBox) che superasse alcune di queste limitazioni. L’EPBox permette di analizzare i fenomeni di erosione interna su modelli di varie dimensioni, effettuando test in pressione per raggiungere alti gradienti e ricostruendo il modello per strati che hanno una inclinazione prescelta rispetto alla direzione del flusso. Lo schema generale di funzionamento dell’EPBox può essere descritto con un serbatoio di monte e uno di valle tramite i quali una differenza di carico idraulico, e quindi un gradiente, viene applicata al campione, o al modello di rilevato, posizionato tra essi. Il dispositivo è dotato di un circuito idraulico che consente di mantenere costanti i livelli dei serbatoi, di un sistema di misurazione delle pressioni neutre, e di un sistema di raccolta del materiale che viene eroso. Per le prove di validazione si è utilizzato un materiale con gradazione suscettibile all’erosione interna, ovvero sferette di vetro di diametro compreso tra 0.07 mm e 2 mm, di cui sono state stimate la conducibilità idraulica tramite un permeametro e le proprietà di compattazione. Il permeametro è stato opportunamente modificato per misurare anche la quantità di materiale eroso nel tempo, quando si applicano gradienti idraulici sempre più elevati. Dopo aver realizzato alcune prove per collaudare l’EPBox, si è proceduto con una serie di test con gradienti differenti, per verificarne l’effetto sulla quantità di materiale eroso nel tempo e sulla conducibilità idraulica, valutando anche come le diverse particelle vengono dislocate all’interno del campione. Dalle prove svolte si è potuto osservare l’effetto del gradiente sulla stima di k e sul quantitativo di materiale eroso, che risultano crescere con i sia nelle prove verticali che orizzontali. I test sull’EPBox hanno mostrato una diminuzione del materiale eroso nel corso delle prove anche a causa della formazione di pipes che permettono all'acqua di passare facilmente all'interno del campione. Inoltre, il processo di erosione interna agisce sulle particelle medie e fini trascinandole verso il serbatoio di valle.