Numerical investigation of impacts on/of granular masses

The dynamic interaction either between flowing granular masses and obstacles or between blocks and still granular strata is characterised by large displacements, large strain rates, damage processes, wave propagation. When the granular material is saturated or when the impact energy is sufficiently high, the event is associated with regime transition phenomena. Indeed, granular media may behave like either solids or fluids depending on their current grain packing, confinement and strain rate. In the first case the energy is mainly stored by the system as elastic energy due to long-lasting frictional contacts, whereas in the second as kinetic fluctuating energy due to grain collisions. Despite the considerable both academic and industrial attention on these processes, their intrinsic complexity makes difficult a full understanding of the mechanisms occurring during these dynamic interactions. Only recently, robust numerical codes, able to deal with large displacements, based on both discontinuum and continuum mechanics, have allowed the numerical simulation of impacts, opening new frontiers in the study of these processes. In this thesis, both the two impact configurations are analysed with special emphasis on landslides and dynamic compaction applications. The two configurations have been studied employing both Discrete Element Method (based on discontinuum-mechanics) and a Material Point Method code (based on continuum-mechanics) in which a recently formulated multi-phase and multi-regime model is implemented. To this aim, such a constitutive model, conceived for ideal monodisperse spherical materials, has been further developed by the author to extend its applicability to real polydisperse materials and to account for particle damaging. In addition, the assumptions introduced in the extension of the multi-regime model to saturated conditions are discussed, taking advantage from DEM-LBM tests performed at REV scale. The impact of a spherical boulder on still dry granular strata has been investigated considering both DEM and MPM. The comparison with available large-scale experimental test results and empirical correlations has allowed to assess the reliability of the obtained numerical results. These latter have then been used to highlight the propagation of the stress wave, the occurrence of regime transitions and particle damaging processes and the failure mechanism in the soil, under the penetrating block. The impact of flowing granular masses against rigid obstacles has been instead investigated by using only MPM, considering both dry and saturated granular masses. The MPM analyses results have allowed to discuss the importance of constitutive and numerical assumptions to obtain reliable predictions of impact force and mass deformation. Under dry conditions, the numerical results have been critically compared with those already obtained by using DEM. In particular, the capability of the model to reproduce the dependence of compression and rarefaction wave velocities on material porosity and Froude number is shown. In the saturated case, the role of front inclination is emphasized and the evolution with time of the force transmitted to the obstacle by water and grains is discussed and compared with what obtained in case of dry masses.

L'interazione dinamica sia tra masse granulari in movimento e ostacoli o tra blocchi e strati granulari fermi è caratterizzata da grandi spostamenti, elevate velocità di deformazione, processi di danneggiamento, propagazione delle onde. Quando il materiale granulare è saturo o quando l'energia d'impatto è sufficientemente alta, l'evento è associato a fenomeni di transizione di regime. Infatti, i mezzi granulari possono comportarsi sia come solidi che come fluidi a seconda della loro porosità corrente, confinamento e velocità di deformazione. Nel primo caso l'energia è principalmente immagazzinata dal sistema come energia elastica dovuta a contatti attritivi duraturi, mentre nel secondo come energia cinetica fluttuante dovuta a collisioni tra i grani. Nonostante l'attenzione sia accademica che industriale su questi processi, la loro complessità intrinseca rende difficile una comprensione completa dei meccanismi che si verificano durante queste interazioni dinamiche. Solo di recente, codici numerici robusti, in grado di gestire grandi spostamenti, basati sia sulla meccanica del discontinuo che del continuo, hanno permesso la simulazione numerica degli impatti, aprendo nuove frontiere nello studio di questi processi. In questa tesi, entrambe le due configurazioni d'impatto sono analizzate con particolare enfasi su frane e applicazioni di compattazione dinamica. Le due configurazioni sono state studiate impiegando sia il Metodo degli Elementi Discreti (basato sulla meccanica del discontinuo) sia un codice fondato sul Metodo del Punto Materiale (basato sulla meccanica del continuo) in cui è implementato un modello multi-fase e multi-regime recentemente formulato. A questo scopo, tale modello costitutivo, concepito per materiali sferici monodispersi ideali, è stato ulteriormente sviluppato dall'autore per estendere la sua applicabilità a materiali polidispersi reali e per tener conto del danneggiamento delle particelle. Inoltre, le ipotesi introdotte nell'estensione del modello multi-regime alle condizioni sature sono discusse, sfruttando prove DEM-LBM eseguite alla scala del REV. L'impatto di un masso sferico su strati granulari secchi fermi è stato studiato considerando sia DEM che MPM. Il confronto con i risultati sperimentali su larga scala disponibili e le correlazioni empiriche hanno permesso di valutare l'affidabilità dei risultati numerici ottenuti. Questi ultimi hanno quindi permesso di evidenziare la propagazione dell'onda di sforzo, il verificarsi di transizioni di regime e processi di danneggiamento delle particelle e il meccanismo di rottura nel terreno, sotto il blocco penetrante. L'impatto di masse granulari in movimento contro ostacoli rigidi è stato invece studiato utilizzando solo MPM, considerando sia masse granulari secche che sature. I risultati delle analisi MPM hanno permesso di discutere l'importanza delle ipotesi costitutive e numeriche per ottenere previsioni affidabili della forza d'impatto e della deformazione della massa. In condizioni secche, i risultati numerici sono stati confrontati criticamente con quelli già ottenuti utilizzando il DEM. In particolare, è mostrata la capacità del modello di riprodurre la dipendenza delle velocità delle onde di compressione e rarefazione dalla porosità del materiale e dal numero di Froude. Nel caso saturo, viene enfatizzato il ruolo dell'inclinazione del fronte e viene discussa e confrontata l'evoluzione nel tempo della forza trasmessa all'ostacolo dall'acqua e dai grani rispetto a quanto ottenuto nel caso di masse secche.