IMPLEMENTATON AND VALIDATION OF ADVANCED CONSTITUTIVE MODELS FOR THE ANALYSIS OF HYDRO-THERMO-MECHANICAL INTERACTIONS IN GEO-ENVIRONMENTAL ENGENEERING PROBLEMS

In recent years increasing interest in thermo-hydro-mechanical analysis of multiphase porous materials, i.e. saturated and partially saturated porous materials, is observed, because of a wide spectrum of their engineering applications. An area of particular interest is Environmental Geomechanics, where some challenging problems are of interest. Examples are subsidence above gas reservoirs, injection of fluids into deep or superficial aquifers, long-term storage of carbon dioxide, onset of flowslides and catastrophic landslides, nuclear and other hazardous waste disposal and stability of salt marshes. In all the aforementioned situations, the soil or rock need to be considered as multiphase porous medium in isothermal or non-isothermal conditions, made of a solid phase and voids containing one or more fluids, in which the interaction between all the components of the material cannot be neglected. In case of liquid and gaseous fluids, capillary effects cannot be a priori neglected and also phase change for liquid water and its vapour can play a role. This thesis aims to contribute to develop a general framework for the computational analysis of geo-environmental engineering problems analysed as coupled multi-physics processes. To this end, advanced constitutive models for isothermal and non-isothermal water saturated or unsaturated soils have been implemented and numerically validated in the finite element code COMES-GEO. In this THM model the porous medium is assumed to be a multiphase system where interstitial voids of the deforming solid matrix may be filled with liquid water, water vapour and dry air or other gas. To handle this multiphase system, an analytical multi-scale approach has been used by the general frame of averaging theories in deriving the governing balance equations. These equations have been discretized in space and time by means of the finite element method for a numerical solution. These following advanced constitutive models for soil have been implemented: 1. ACMEG-T for water saturated clays in non isothermal condition; 2. ACMEG-TS for water saturated and partially saturated clays in non isothermal condition; 3. Pastor-Zienkiewicz for water saturated sands in isothermal condition; 4. Bolzon-Schrefler-Zienkiewicz for partially saturated sands in isothermal condition; 5. Bolzon-Schrefler for partially saturated sands in non isothermal condition. Validation of the implemented models was performed by comparison between the F.E.M. results and the results obtained by experimental tests or by the model driver. Three different tests were simulated: isotropic compression test, oedometric compression test and triaxial compression test in different conditions of confining pressure, temperature and suction and for different kind of soils. This comparison was done in cooperation with the research group of Prof. Lyesse Laloui (EPFL of Lausanne) and the research group of the Prof. Manolo Pastor (UPM of Madrid). Preliminary results concerning typical geo-environmental problems such as the thermo-hydro-mechanical behaviour of deep nuclear waste disposal in a geological clay formation and the simulation of the subsidence above gas reservoirs due to gas production close this present work, pointing out that with a sufficiently general thermo-hydro-mechanical model the main couplings occurring in soils may be reproduced in a relevant manner and that very different situations can be modelled without special assumptions.

Negli ultimi anni è aumentato notevolmente l’interesse per le analisi termo-idro-meccaniche sui mezzi porosi multifase, che possono essere ad esempio analisi rivolte allo studio del comportamento dei terreni in parziale o totale saturazione, per via della vasta gamma di applicazioni ingegneristiche che è possibile investigare. In particolare un’area di grande interesse è rappresentata dai problemi di Geomeccanica Ambientale, dove si incontrano fenomeni di considerevole importanza per la salvaguardia della società. Alcuni esempi sono la subsidenza dovuta all’estrazione di gas dal sottosuolo, iniezione di fluidi dentro acquiferi profondi o superficiali, stoccaggio a lungo termine di biossido di carbonio per la mitigazione del riscaldamento globale, innesco di frane, stoccaggio di scorie nucleari o pericolose e la stabilità delle barene marine. In tutte le situazioni menzionate, il terreno deve essere considerato come un mezzo poroso multifase, in condizioni anche non isoterme, costituito da uno scheletro solido e da vuoti riempiti da uno o più fluidi dove le interazioni fra tutti i costituenti non possono essere trascurate. In particolare nel caso di fluidi liquidi e gassosi, l’effetto delle pressioni capillari non può essere tralasciato a priori, come anche il cambiamento di fase dell’acqua liquida e del vapor acqueo. Lo scopo di questa tesi di dottorato è quello di contribuire a sviluppare uno strumento di carattere generale per l’analisi computazionale di problemi ingegneristici di geomeccanica ambientale e questo è stato fatto mediante l’implementazione e la validazione numerica di due modelli costitutivi avanzati nel codice agli elementi finiti COMESGEO. Considerando il mezzo poroso multifase costituito da uno scheletro solido deformabile dove i vuoti possono essere riempiti da acqua, vapore e aria secca (o un altro gas), tramite un approccio multiscala basato sulla teoria ibrida delle miscele, con opportune procedure di media sono state derivate le equazioni di bilancio del modello. Queste equazioni sono state poi discretizzate nello spazio e nel tempo per poter ottenere una soluzione numerica col metodo degli elementi finiti. I modelli costitutivi implementati sono i seguenti: 1. ACMEG-T per argille sature in condizioni non isoterme; 2. ACMEG-TS per argille parzialmente sature in condizioni non isoterme; 3. Pastor-Zienkiewicz per sabbie sature in condizioni isoterme; 4. Bolzon-Schrefler-Zienkiewicz per sabbie parzialmente sature in condizioni isoterme; 5. Bolzon-Schrefler per sabbie parzialmente sature in condizioni non isoterme. La validazione dell’implementazione numerica dei modelli costitutivi è stata fatta tramite il confronto fra i risultati F.E.M. e risultati sperimentali od ottenuti con il driver del modello. Le prove simulate sono di tre tipi: compressione isotropa, compressione edometrica e compressione triassiale eseguite in differenti condizioni di pressione di confinamento, temperatura e grado di saturazione per diversi tipi di materiale. Il lavoro di validazione è stato svolto in collaborazione col gruppo di ricerca del Prof. Lesse Laloui (EPFL di Losanna) e quello del Prof. Manolo Pastor (UPM di Madrid). Infine vengono mostrati alcuni risultati preliminari riguardanti due tipici problemi di Geomeccanica Ambientale, quali lo stoccaggio di scorie nucleari e la subsidenza, per dimostrare come con un modello termo-idro-meccanico di carattere sufficientemente generale, senza particolari assunzioni, sia possibile studiare un numero rilevante di problematiche inerenti i problemi di accoppiamento nei terreni.