A numerical model for a multi-scale approach to soil internal erosion processes

Earthworks are structures subject to seepage flow that varies in time and space. Water flowing through these porous media can lead to the detachment and transport of soil particles either within the body of the structures or their foundations. This process is called internal erosion, which is one of the main factors causing the collapse of earthen structures. The term suffusion refers to a type of soil internal erosion in which fine particles detach from the soil matrix and are transported into the pores with the flow of water under constant volume of the coarse soil matrix. The internal stability of soils depends on several factors, including geometric factors based on grain size and grain size distribution of the soil. The aim of this thesis is to implement and validate the erosion model formulated by Bi et al. (2021a, 2021b) using COMSOL Multiphysics finite element software. Among the various proposals to assess internal erosion, the selected formulation introduces the novelty of considering the influence of soil composition on the erosion process. The particle size is part of the definition of the governing equations and is a supplement to the basic geometric dimension representing the soil under seepage. Therefore, the domain complexity of the implementation relates especially to the multiscale nature of the problem, which includes a coupling of the hydraulic phenomenon acting at the level of the macrostructure on a homogeneous soil element and the erosion phenomenon which is defined at the level of the soil microstructure. The results show the variation of soil composition and significant soil properties, such as porosity, following the simulated internal erosion process. The in-depth phenomenological study and sensitivity analyses of the parameters show that the model is able to predict the development of internal erosion of soil under different hydraulic conditions, which is crucial to prevent engineering accidents and natural disasters resulting from internal erosion.

Le opere in terra sono strutture soggette a infiltrazioni variabili nel tempo e nello spazio. L’acqua che scorre attraverso questi mezzi porosi può portare al distacco e al trasporto delle particelle di terreno all’interno sia del corpo stesso delle strutture sia delle loro fondazioni. Questo processo è detto di erosione interna ed è uno dei principali fattori che causano il collasso di opere in terra. Il termine suffusion si riferisce a un tipo di erosione interna del suolo in cui le particelle fini si distaccano dalla matrice e vengono trasportate nei pori con il flusso dell’acqua a volume costante della matrice di terreno. La stabilità interna dei terreni dipende da diversi fattori, tra cui fattori di tipo geometrico anche basati sulla dimensione dei grani e sulla curva granulometrica del suolo. Questa tesi ha l’obiettivo di implementare e validare il modello di erosione formulato da Bi et al. (2021a, 2021b) con il software ad elementi finiti COMSOL Multiphysics. L’innovazione di questa formulazione riguarda proprio la considerazione dell’influenza della composizione del terreno sul processo di erosione. La dimensione delle particelle rientra nella definizione delle equazioni e risulta essere un’aggiunta alla dimensione geometrica base rappresentativa del terreno sottoposto a filtrazione. Pertanto, la complessità dell’implementazione riguarda specialmente la natura multiscala del problema, la quale comprende un accoppiamento del fenomeno idraulico agente a livello della macrostruttura su un elemento di terreno omogeneo e del fenomeno di erosione che è invece definito a livello della microstruttura del terreno. I risultati mostrano la variazione di composizione del suolo e di sue proprietà significative, come la porosità, a seguito del processo di erosione interna simulato. Gli approfondimenti con analisi fenomenologiche e di sensitività dei parametri mostrano che il modello è in grado di prevedere lo sviluppo dell’erosione interna di un terreno sottoposto a diverse condizioni idrauliche, questo risulta essere fondamentale per prevenire incidenti ingegneristici e disastri naturali derivanti dall’erosione interna.