Multi-scale elasto-viscoplastic constitutive models for bonded geomaterials

Creeping landslides in cemented soils pose various complexities for risk assessment, due to their tendency to give rise to unexpected accelerations. A type of response which needs to be traced back to the peculiar micro-structural configuration of these media: characterized by the coexistence of loose mineral grains and bonded inter-granular contacts of various nature, responsible of the fragility of the system. In this Thesis, the time dependency and mechanical stability of bonded geomaterials are analyzed at the constitutive level via multi-scale elasto-viscoplastic descriptions, relating their global response to the inherent micro-structural evolution. Three different models will be proposed, denoted by an increasing detail in the material description: from an homogeneous representation, simpler yet ineffective, to dis-continuum bi-phase ones. From the analysis of the recent landslide case study of Mount Saresano, in Lombardy Italian region, a conceptual interpretation of the mechanism will be defined, then translated to a uniaxial modeling perspective and extended to the more general representative elementary volume (REV). In this view, the calibration of the models will be performed via the comparison with the results of a laboratory campaign performed on Canosa calcarenite samples, stating their predictive capability for a good amount of the experimental evidence. The models will then be tested via a series of numerical simulations, at varying material properties and load description. The possible occurrence of an unstable response is then analyzed, here intended in dynamic terms as an increase in the material strain rate, leading the solution away from its initial steady condition. In this regard, bonded geomaterials reveal themselves meta-stable systems, with the on-set of the instability related to a certain energy threshold to be overcome, on its own related to the progressive damaging of the material. Nonetheless, the proposed constitutive descriptions prove capable of capturing this kind of behavior and its time evolution, proving to be an helpful tool for the analysis of creep phenomena in cemented media.

Le frane da scorrimento viscoso in materiali cementati pongono diverse complessità per la valutazione del rischio associato ai movimenti di versante, data la loro tendenza a dar luogo ad improvvise accelerazioni. Un tipo di risposta da ricercarsi nella peculiare configurazione micro-strutturale di questa tipologia di materiali: contraddistinti dalla coesistenza di grani minerali sciolti e legami cementati intergranulari di diversa natura, responsabili della fragilità del sistema. La presente Tesi tratterà della dipendenza temporale dei geomateriali cementati e della loro stabilità meccanica, analizzate a livello costitutivo mediante delle descrizioni multi-scala elasto-viscoplastiche e andando a legare la loro risposta globale con l'inerente evoluzione micro-strutturale. Tre modelli verrano proposti, contraddistinti da una descrizione progressivamente più dettagliata del materiale: da una rappresentazione omogenea, più semplice ma inefficace, a delle descrizioni discontinue bifase. Dall'analisi del recente caso studio della frana del Monte Saresano, in Lombardia, verrà definita un interpretazione concettuale del meccanismo, poi tradotta in una descrizione uniassiale ed estesa al più generale elemento di volume rappresentativo (REV). In questa prospettiva, la calibrazione dei modelli verrà condotta sulla base dei risultati di laboratorio su provini di calcarenite di Canosa, attestandone le capacità predittive per buona parte delle evidenze sperimentali. I modelli verrano poi testati mediante una serie di simulazioni numeriche, al variare delle specifiche del materiale e della perturbazione. La possibile insorgenza di un'instabilità meccanica verrà quindi analizzata, qui intesa in termini dinamici come un'accelerazione nell'evoluzione temporale delle deformazioni, che allontana la risposta dalla condizione di equilibrio iniziale. A tal riguardo, i materiali cementati si riveleranno dei sistemi meta-stabili, per cui l'eventuale risposta instabile è legata al superamento di una certa soglia energetica, di suo legata al danneggiamento progressivo del materiale. In ogni caso, le descrizioni constitutive proposte si rivelano in grado di cogliere questo tipo di comportamento a la sua successiva evoluzione temporale, dimostrandosi un utile strumento per l'analisi dei fenomeni viscosi nei materiali cementati.