ANALISI AI GRANDI SPOSTAMENTI DI MECCANISMI DI MACRO-INSTABILITA' IN GEOSTRUTTURE DI RITENUTA IDRAULICA

To conduct landslide risk assessment and structural health monitoring, it is important to understand the overall failure evolution process that ranges from small-strain initiation to large-strain post-failure run out. To achieve this goal and simulate such landslide events, emerging large-strain numerical approaches, such as the Material Point Method (MPM), show promising potential as tools to model the entire instability mechanism, whilst successfully incorporating multi-phase interactions in granular porous media. In the specific context of levee slope stability predictions, the quantification of the mobilized soil mass and the run-out distance are not traditionally addressed. This is related to the common approaches in use, relying on the definition of the Factor of Safety (FS) using Limit Equilibrium Methods (LEM) and Finite Element Methods (FEM). Based on these premises, this thesis work aims to improve predictive numerical techniques for slope stability analysis, in particular for levees safety assessments, using MPM. In Chapter 1 research context and motivations of the study are presented. The chapter is articulated in a brief review of river levee collapse mechanisms, stressing the accent on macro or global instability mechanisms. Approaches from the literature used to study this complex problem are retraced, which include experimental approaches (small, large scale and centrifuge tests), study of case history, and numerical approaches. An example of a typical levee safety analysis, based on the use of conventional numerical methods, is presented. Chapter 2 focuses on the fundamentals about MPM, together with an overview of the current multiphase formulations of the method. At this point, the research activity is configured in a ``testing" phase. An existing multiphase MPM formulation, the 2Phase Double Point approach, suitable for fully saturated soils and able to track relative displacements between fluid and solid, is considered. A well-known benchmark case, the soil column collapse, is investigated numerically and experimentally. Subsequently, the analysis moves to a large-scale problem, the failure of a levee due to rapid draw down. The results of the testing phase are presented in Chapter 3. Based on the experience collected, a “development” phase starts (Chapter 4), focused on the implementation of an unsaturated MPM formulation. In this manner, the study of coupled seepage-deformation process in unsaturated soils is possible, considering transient hydraulic loads acting on slopes and making it possible to perform safety assessments based on a full quantification of soil mass displacements. The implementation of different types of transient hydraulic head, seepage face, and infiltration/evaporation, is discussed in detail. A validation procedure is put in place by considering 1D and 2D examples of seepage in different domains. A numerical stability study is conducted for the first time for an unsaturated MPM formulation, given the explicit nature of the integration in time scheme. Some preliminary criteria are obtained, relating the critical time step and the degree of saturation, and compared with the numerical simulation results. Finally, Chapter 5 is dedicated to applications of the newly developed formulation to several slope stability cases. At first, the method is applied to theoretical cases to simulate levee collapse due to rapid drawdown and rainfall. Later, a large-scale slope failure experiment, carried out in 2009, is considered. Results are compared with FEM and LEM, and an advanced constitutive model accounting for suction effect on strength parameters is used. Lastly, the investigation of a levee instability induced by toe uplift is carried out. This case considers a centrifuge experiment which is reproduced with MPM, with the aim of understanding triggering mechanism and failure evolution. Conclusion and potential future developments conclude the thesis.

Per condurre analisi di stabilità e monitoraggio strutturale di opere in terra, è importante comprendere il processo di evoluzione del collasso che va dall'inizio delle piccole deformazioni e comprende tutta la fase di post-failure. Per raggiungere questo obiettivo e simulare tali eventi, gli approcci numerici a grandi deformazioni, come il Material Point Method (MPM), mostrano un potenziale promettente, incorporando con successo le interazioni multifase nei mezzi porosi granulari. Nel contesto specifico delle previsioni di stabilità degli argini, la quantificazione della massa di terreno mobilizzata e la distanza di run-out non sono tradizionalmente affrontate. Questo è legato ai comuni approcci in uso, che si basano sulla definizione del Fattore di Sicurezza (FS) utilizzando il Metodo all’Equilibrio Limite (LEM) e il metodo agli Elementi Finiti (FEM). Partendo da queste premesse, questo lavoro di tesi mira a migliorare le tecniche numeriche predittive per l'analisi di stabilità, in particolare per la valutazione della sicurezza degli argini, utilizzando l’MPM. Nel Capitolo 1 vengono presentati il contesto di ricerca e le motivazioni dello studio. Il capitolo si articola in una breve rassegna dei meccanismi di collasso degli argini fluviali, sottolineando l'accento sui meccanismi di macro instabilità. Vengono rintracciati vari approcci di letteratura utilizzati per studiare il problema. Viene presentato un esempio di una tipica analisi di sicurezza degli argini, basata sull'uso di metodi numerici convenzionali. Il capitolo 2 si concentra sui fondamenti dell’ MPM, insieme a una panoramica delle attuali formulazioni multifase del metodo. A questo punto, l'attività di ricerca si configura in una fase di test. Viene considerata una formulazione MPM multifase esistente, l'approccio bifase a due punti, adatto per terreni saturi e capace di tracciare gli spostamenti relativi tra fluido e solido. Un benchmark di riferimento noto, il collasso di una colonna di terreno, è studiato numericamente e sperimentalmente. Successivamente, l'analisi si sposta su un problema a scala reale, il cedimento di un argine a causa di uno svaso rapido. I risultati della fase di test sono presentati nel capitolo 3. Sulla base dell'esperienza acquisita, inizia una fase di sviluppo (Capitolo 4), incentrata sull'implementazione di una formulazione MPM per terreni parzialmente saturi. In questo modo, lo studio del processo accoppiato infiltrazione-deformazione in terreni insaturi è possibile, considerando i carichi idraulici transitori e rendendo possibile valutare la sicurezza degli argini dulla base di una quantificazione completa degli spostamenti. L'implementazione di diversi tipi condizioni, carico idraulico, seepage face e infiltrazione/evaporazione, è discussa in dettaglio. La formulazione viene validata considerando esempi 1D e 2D di infiltrazioni in diversi domini. Uno studio di stabilità numerica è condotto per la prima volta per una formulazione MPM non satura, data la natura esplicita dello schema di integrazione nel tempo. Vengono ottenuti alcuni criteri analitici preliminari, confrontati con i risultati di simulazioni numeriche. Infine, il capitolo 5 è dedicato alle applicazioni. All'inizio, il metodo è applicato a casi teorici per simulare il collasso arginale a causa di un svaso rapido o di pioggia. Successivamente, viene considerato un esperimento a grande scala. I risultati sono confrontati con FEM e LEM, e viene utilizzato un modello costitutivo avanzato che tiene conto dell'effetto di suzione sui parametri di resistenza. Infine, viene effettuata l'indagine sull'instabilità di un argine indotta dal sollevamento al piede. Questo caso considera un esperimento in centrifuga che viene riprodotto con l’MPM, con l'obiettivo di comprendere il meccanismo di innesco e l'evoluzione del collasso. Infine si trovano conclusioni e potenziali sviluppi futuri.