Transizioni di fase nei materiali granulari durante gli impatti ad alta energia di masse fluide sature: il ruolo della modellazione costitutiva

Debris flows are a type of landslides that form from sediments and water and are often triggered by heavy rainfalls, causing a great damage every year. To reduce the risk associated with the impact of these events on the area, protection structures are built, considering empirical formulas for the maximum impact force. The phenomenon is dynamic and it is characterized by large deformations. In case of granular materials, depending on the agitation of the system, the interaction among grains is based on collisions or on force chains, which leads to a significant change in the dynamics of the granular material, which can behave either like a fluid or like a solid. In order to simulate these events, considering both aspects and to obtain realistic results, the Material Point Method is used in this work, since it is able to simulate large displacements, together with a multi regime constitutive model, able to model strain rate and porosity dependency, as well as the hydromechanical coupling. This work is aimed at showing the importance of choice of the constitutive model in both cases of dry and saturated material, to estimate the design force and to study the role of water in the impact process. The material is considered as both equivalent single-phase and two-phase material. In particular, a comprehensive comparison is made between the results obtained using the single-point and double-point approaches, in which the material is respectively modelled with a single set of points for both phases or with one set of points for each component. Mu-I rheology is analysed, focusing on Boyer and Trulsson’s extension for saturated conditions, questioning its applicability to the problem under consideration. This thesis demonstrates how the choice of a two-phase constitutive model and the use of a numerical approach that takes into account the fluid-particle interaction and the separation between the phases is fundamental to reproduce the debris-wall interaction.

Le colate detritiche sono eventi franosi formati da sedimenti e da acqua, spesso innescati da forti precipitazioni, che causano ogni anno numerosi danni. Per ridurre il rischio associato all'impatto che tali eventi possono avere sul territorio, si possono costruire muri di protezione, attualmente progettati con formule empiriche per la massima forza d’impatto. Si tratta di fenomeni dinamici, caratterizzati da grandi deformazioni. Nel caso di materiali granulari, a seconda dell’agitazione del sistema, l’interazione tra i grani può basarsi sulle collisioni o sulle catene di forze: ciò determina un significativo cambiamento nella dinamica del materiale granulare, che può comportarsi rispettivamente come un fluido o come un solido. Per simulare numericamente questi eventi, tenendo conto di entrambi gli aspetti e ottenere quindi risultati realistici, in questo lavoro si utilizza il Material Point Method, in grado di simulare i grandi spostamenti, con un modello costitutivo multiregime, adatto a simulare le condizioni sature e capace di considerare esplicitamente la dipendenza dalla velocità di deformazione e dalla porosità e l’accoppiamento tra le fasi. Il presente lavoro è finalizzato a mostrare l'importanza della scelta del modello costitutivo in caso di materiale sia secco, sia saturo, per la stima della forza di design e studiare il ruolo dell’acqua nel processo d’impatto. Si considera il materiale sia come monofase equivalente, sia come bifase. In particolare, si esegue un estensivo confronto fra i risultati ottenuti con approcci single-point e double-point, in cui il mezzo saturo è rispettivamente modellato con un unico set di punti per ambo le fasi o con un set per ciascuna componente. Si analizza inoltre la reologia mu-I, in particolar modo l’estensione proposta da Boyer e Trulsson in riferimento al caso saturo e se ne confuta l’applicabilità al problema d’interesse. Questa tesi dimostra quindi come la scelta di un modello costitutivo bifase e l’utilizzo di un approccio numerico in grado di considerare l’interazione tra fluido e particelle e la separazione fra le fasi sia fondamentale per riprodurre l’interazione colata-muro.