Permeation grouting in granular materials. From micro to macro, from experimental to numerical and viceversa

Permeation grouting is a geotechnical stabilisation technique commonly employed to improve hydro-mechanical ground properties. Its basic principle consists in low pressure injections aimed at filling soil pores by means of either microfine cements or chemical grouts, whose rheological properties vary with time until changing their consistency into a solid. Although this technique is very commonly employed, the micro-mechanical processes taking place at the local level and, consequently, the macro-mechanical behaviour are not yet totally understood and correctly modelled. Indeed, the design is currently derived from empirical approaches based on experimental observations. In this thesis, permeation grouting in granular materials has been investigated and modelled by means of experimental, theoretical and numerical approaches, taking into account the complex hydro-chemo-mechanical coupled processes occurring at the micro-scale. The permeation process (intended as pore saturation without any change in the soil micro-structure) has been studied by mainly focusing on the influence of the grout mechanical behaviour, defined in terms of its time-dependent non-Newtonian rheology, leading to a suitable modification of the Darcy’s law, and particulate phase description. The occurrence of hydro-mechanical coupled phenomena affecting the evolution of the soil micro-structure, like suffusion, cavity expansion and claquage, which may have a not-negligible effect during permeation grouting treatment executions, has been accounted for by using discontinuum mechanics approaches, via discrete element method and its coupling with pore-scale finite volume one. The final goal is to provide an effective contribution not only in grouting treatment both execution and design, but also in the research and development of new products and technologies. To this aim, predictive tools have been proposed to rationally optimise the injection process in terms of nozzle spacing, injection time, imposed flow rate and pressures as well as to appreciate the influence provided by different grout compositions.

Il “permeation grouting” è una tecnica di consolidamento comunemente impiegata per migliorare le proprietà sia idrauliche sia meccaniche dei terreni. Vengono eseguite iniezioni a bassa pressione volte a riempire i pori del terreno con cementi microfini o altre miscele chimiche, le cui proprietà reologiche variano nel tempo fino a mutare la loro consistenza in quella di un solido. Sebbene questa tecnica sia comunemente impiegata, i processi micro-meccanici che avvengono a livello locale e, di conseguenza, il comportamento macro-meccanico non sono ancora del tutto compresi e modellati correttamente. Infatti, la progettazione in questo campo è attualmente derivata da approcci empirici basati su osservazioni sperimentali. In questa tesi, il “permeation grouting” in materiali granulari è stato studiato e modellato mediante approcci sperimentali, teorici e numerici, tenendo conto dei complessi processi idro-chemo-meccanici accoppiati che si verificano alla micro-scala. Il processo di permeazione (inteso come saturazione dei pori senza causare alcun cambiamento nella microstruttura del terreno) è stato analizzato concentrandosi principalmente sull'influenza del comportamento meccanico del fluido iniettato, definito in termini di reologia, non newtoniana e dipendente dal tempo, e di lunghezza caratteristica della sua eventuale fase solida. Fenomeni idro-meccanici accoppiati che causano un'evoluzione della microstruttura del mezzo granulare iniettato avendo così un effetto non trascurabile durante l’esecuzione dei trattamenti di consolidamento, come “suffusion”, espansione della cavità e “claquage”, sono stati anch’essi studiati grazie all'utilizzo di approcci discreti. L'obiettivo finale è quello di fornire un contributo efficace non solo nella fase sia progettuale sia esecutiva dei trattamenti, ma anche nella ricerca e sviluppo di nuovi prodotti e tecnologie. A tale scopo, sono stati proposti strumenti predittivi finalizzati all’ottimizzazione del processo di iniezione in termini di spaziatura degli ugelli, tempi e pressioni di iniezione, portata imposta, nonché in grado di apprezzare la differenza in termini di risposta tra le diverse miscele disponibili sul mercato.