Modelling of permafrost and its degradation effects on gravity-induced risks in alpine areas

Permafrost is widely distributed at high latitudes and lower latitudes in high elevation areas. Many economically relevant activities are affected by permafrost, namely those related to transportation, energy transportation, tourism and sports activities in mountain areas. Starting from the half of the 19th century, a progressive reduction of permafrost areas has been observed. Various forms of hazard to human life and infrastructure may be a consequence. In order to tackle these points, this research project will be focused on the mechanical behaviour of rock mass with frozen-soil-filled joints by using the discrete element method (DEM). Starting from the definition of DEM models for pure ice and frozen soil, the mechanical behaviour of the continuous and discontinuous rock joints filled with involved material are studied. A real scale problem concerning the stability of alpine rock slope was analyzed on the basis of previous results. Frozen soils are mixtures of ice and solid grains. Since the mechanical properties of ice and dry granular soils are completely different, the behaviour of the ice-soil mixture is highly dependent on the ice content. A 3D model based on the Distinct Element Method (DEM) is introduced and used to evaluate frozen soil resistance. In the DEM model, two groups of elements represent soil particles and ice. Preliminary simulations are performed to calibrate the DEM ice model and assess the relationship between the micromechanical parameters and the macroscopic behaviour. Then, several specimens are built by mixing different proportions of the two constituents to reproduce different ice contents, and appropriate parameters for the ice-soil interface are introduced. A series of triaxial compression and shear simulations are performed and analysed. The obtained macroscopic behaviour of the ice-soil mixtures is qualitatively and quantitatively described and compared to existing experimental data in terms of resistance parameters. An effective jointed rock model is put forward by assembling rock model and the frozen soil model in Chapter 5. A triaxial compression model and a shear test model for a typical rock are first introduced. The rock joints are modelled based on the previously defined shear test models of frozen soil, ice and sand. The results from the rock joint shear tests are in agreement with the behaviour of the materials in shear. The shear resistance of discontinuous rock joints is then investigated, which can be interpreted by using a bi-linear failure envelope with two couples of cohesion and friction angle values. The resistance parameters (cohesion and friction angle) are determined by joint persistence, rock resistance and filling materials. The measured joint cohesion is very close to the conclusion predicted by Jennings (1970). However, the friction angle remains close to that of the rock except for large persistence. The stability of a rocky alpine slope was analysed at last by changing the scale of the analysis, where the rock mass is considered as a collection of discrete blocks and discontinuities. Numerical simulations were able to reconstruct the current conditions of Punta Gnifetti on which the Capanna Margherita is set and define a series of evolutionary scenarios linked to the degradation of the mechanical properties of the joints. The analyses were carried out in a parametric manner, assuming different conditions, particularly the presence or absence of ice in the joints. The analyses made it possible for both conditions to determine the resistance parameters along the joints (set 1 and set 2 of the parameters) and the critical values that would trigger further instabilities. The outcome of the backanalysis of the large-scale problem is consistent with the results of the simulations regarding the resistance of joints. In particular, for ice-filled joints, the results suggest that an increase in temperature and corresponding crack propagation are the real cause of instabilities for the rock slope under consideration. All in all, this thesis provides a possibility to study slope safety in permafrost regions from grain-scale (sand particles), laboratory-scale (triaxial or shear tests specimen) and engineering-scale (the reconstruction of the Margherita slope).

Il permafrost è ampiamente distribuito alle alte latitudini e alle basse latitudini nelle aree di alta quota. Molte attività economicamente rilevanti sono interessate dal permafrost, in particolare quelle legate ai trasporti, al trasporto di energia, al turismo e alle attività sportive nelle zone di montagna. A partire dalla metà del XIX secolo si è osservata una progressiva riduzione delle aree di permafrost. Varie forme di pericolo per la vita umana e le infrastrutture possono esserne una conseguenza. Per affrontare questi punti, questo progetto di ricerca si concentrerà sul comportamento meccanico di un ammasso roccioso con giunti riempiti di terreno ghiacciato utilizzando il metodo degli elementi discreti (DEM). Partendo dalla definizione di modelli DEM per ghiaccio puro e suolo ghiacciato, si studia il comportamento meccanico dei giunti rocciosi continui e discontinui riempiti di materiale coinvolto. Sulla base dei risultati precedenti è stato analizzato un problema di scala reale riguardante la stabilità del versante roccioso alpino. I terreni congelati sono miscele di ghiaccio e cereali solidi. Poiché le proprietà meccaniche del ghiaccio e dei terreni granulari secchi sono completamente diverse, il comportamento della miscela ghiaccio-terreno dipende fortemente dal contenuto di ghiaccio. Viene introdotto un modello 3D basato sul metodo degli elementi distinti (DEM) che viene utilizzato per valutare la resistenza del suolo ghiacciato. Nel modello DEM, due gruppi di elementi rappresentano particelle di suolo e ghiaccio. Vengono eseguite simulazioni preliminari per calibrare il modello di ghiaccio DEM e valutare la relazione tra i parametri micromeccanici e il comportamento macroscopico. Quindi, vengono costruiti diversi campioni mescolando diverse proporzioni dei due costituenti per riprodurre diversi contenuti di ghiaccio e vengono introdotti parametri appropriati per l'interfaccia ghiaccio-terreno. Viene eseguita e analizzata una serie di simulazioni di compressione e taglio triassiali. Il comportamento macroscopico ottenuto delle miscele ghiaccio-terreno è descritto qualitativamente e quantitativamente e confrontato con i dati sperimentali esistenti in termini di parametri di resistenza. Un modello efficace della roccia articolata viene proposto assemblando il modello della roccia e il modello del suolo ghiacciato nel Capitolo 5. Vengono introdotti per la prima volta un modello di compressione triassiale e un modello di prova di taglio per una roccia tipica. I giunti rocciosi sono modellati sulla base dei modelli di prova di taglio precedentemente definiti di terreno ghiacciato, ghiaccio e sabbia. I risultati delle prove di taglio dei giunti di roccia sono in accordo con il comportamento dei materiali a taglio. Viene quindi studiata la resistenza al taglio di giunti rocciosi discontinui, che può essere interpretata utilizzando un inviluppo di rottura bilineare con due coppie di valori di coesione e angolo di attrito. I parametri di resistenza (coesione e angolo di attrito) sono determinati dalla persistenza del giunto, dalla resistenza della roccia e dai materiali di riempimento. La coesione articolare misurata è molto vicina alla conclusione prevista da Jennings (1970). Tuttavia, l'angolo di attrito rimane vicino a quello della roccia tranne che per una grande persistenza. La stabilità di un versante roccioso alpino è stata infine analizzata modificando la scala dell'analisi, dove l'ammasso roccioso è considerato come un insieme di blocchi discreti e di discontinuità. Le simulazioni numeriche hanno potuto ricostruire le condizioni attuali di Punta Gnifetti su cui è impostata la Capanna Margherita e definire una serie di scenari evolutivi legati al degrado delle proprietà meccaniche delle articolazioni. Le analisi sono state condotte in maniera parametrica, assumendo diverse condizioni, in particolare la presenza o assenza di ghiaccio nelle articolazioni. Le analisi hanno consentito per entrambe le condizioni di determinare i parametri di resistenza lungo i giunti (set 1 e set 2 dei parametri) e i valori critici che avrebbero innescato ulteriori instabilità. L'esito della retroanalisi del problema su larga scala è coerente con i risultati delle simulazioni riguardanti la resistenza delle articolazioni. In particolare, per i giunti riempiti di ghiaccio, i risultati suggeriscono che un aumento della temperatura e la corrispondente propagazione delle cricche sono la vera causa di instabilità per il versante roccioso in esame. Tutto sommato, questa tesi offre la possibilità di studiare la sicurezza dei pendii nelle regioni di permafrost da scala granulometrica (particelle di sabbia), scala di laboratorio (provino triassiale o di taglio) e scala ingegneristica (la ricostruzione del versante Margherita).