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ANALISI AI GRANDI SPOSTAMENTI DI MECCANISMI DI MACRO-INSTABILITA' IN GEOSTRUTTURE DI RITENUTA IDRAULICA
Full text linkPer 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.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
Modellazione del collasso di un rilevato arginale con il metodo dei punti materiali per terreni parzialmente saturi
Full text linkNumerosi fenomeni di instabilità in pendii naturali o artificiali sono caratterizzati da grandi deformazioni. Le condizioni di saturazione dei terreni coinvolti giocano un ruolo fondamentale nelle fasi di innesco e propagazione. Entrambi questi aspetti sono inclusi in una recente formulazione del metodo dei punti materiali (MPM), detta 2Phase+suction, oggetto del presente contributo.
In questo contributo, viene brevemente presentata la formulazione e applicata all’instabilità di una scarpata arginale indotta da una combinazione di pioggia e piena prolungata, mettendo in luce le potenzialità dell’MPM in quanto permette di simulare il comportamento post-failure rispetto ai tradizionali metodi FEM e LEM
VALUTAZIONE DEGLI EFFETTI DI UNO SVASO RAPIDO SULLA STABILITÀ DEL PETTO ARGINALE CON IL METODO DEI PUNTI MATERIALI
Full text linkLe verifiche di sicurezza delle opere artificiali in terra e delle scarpate naturali si concretizzano nelle analisi di stabilità, di prassi condotte mediante metodi consolidati quali l’equilibrio limite e il metodo agli elementi
finiti.
Tuttavia, lo studio dell’evoluzione del collasso, caratterizzabile come un fenomeno di grande deformazione, non può essere compiutamente valutato mediante suddette tecniche.
A questo scopo è necessario adottare un metodo capace di modellare grandi spostamenti per una quantificazione effettiva dei volumi di terreno mobilitati e delle distanze percorse.
Il presente contributo mira ad esplorare le potenzialità del Metodo dei Punti Materiali per la valutazione di stabilità dei rilevati arginali.
In particolare viene adottata una formulazione multifase, la 2phase-Double Point (bifase a due punti), per analizzare e quantificare gli effetti di uno svaso rapido sulla stabilità del petto arginale; il confronto con il fattore di sicurezza FS risultante dalle analisi LEM e FEM permette di valutare il contributo effettivo del metodo ad una migliore quantificazione e comprensione del fenomeno
MPM simulations of the impact of fast landslides on retaining dams
Full text linkPossible protection systems against flow-like landslides are earth dams built to stop or deviate the flow. The evaluation of impact forces on the structures is still based on oversimplified empirical approaches, which may lead to a very conservative design, with high costs and environmental impact. Numerical methods able to capture the essential features of the phenomenon can offer a valuable tool to support the design of protection measures. This paper shows the potentialities of the Material Point Method (MPM) in this field. A dry granular flow, modelled with the Mohr-Coulomb model is considered. The landslide is placed in front of the barrier with a prescribed velocity and the impact forces on the slanted face is monitored with time
Modelling deformations in water retention structures with unsaturated material point method
No full textFailure of levees induced by toe uplift: Investigation of post-failure behavior using material point method
Full text linkLevees are essential structures in flood defense systems, and their failures can lead to devastating consequences on the surrounding territories. One of the failure mechanisms mostly controlled by the foundation soil stratigraphy is the instability of the land side slope, triggered by the development of high uplift pressures in the foundation. This complex phenomenon has been investigated experimentally with centrifuge tests or large-scale tests and numerically with the limit equilibrium method (LEM) and the finite element method (FEM). In this work, we applied a multiphase formulation of the material point method (MPM) to analyze the development of toe uplift instability mechanism, from the onset of failure to large displacements. The numerical model is inspired by an experiment carried out in a geotechnical centrifuge test by Allersma and Rohe (2003). The comparison with the experiment allows for understanding critical pore pressure triggering large displacements in the foundation soils. Moreover, we numerically evaluated the impact of different values of foundation soils' hydraulic conductivity on the failure mechanism. The results show that hydraulic conductivity mainly influences the time of failure onset and the extension of shear localization at depth. Finally, the advantages of using large displacement approaches in the safety assessment of earth structures are discussed. Unlike FEM, there are no issues with element distortions generating difficulties with numerical convergence, allowing for full post-failure reproduction. This capability permits precise quantification of earth structure damages and post-failure displacements. The ensuing reinforcement systems' design is no longer over-conservative, with a significant reduction in associated costs
B3 breast lesions determined by vacuum-assisted biopsy: how to reduce the frequency of benign excision biopsies
No full textPURPOSE: The aim of this study was to identify parameters allowing differentiation among the diverse group of B3 lesion at stereotactic vacuum-assisted biopsy (VAB) to identify patients with a low risk of cancer and who can therefore be referred for follow-up rather than surgery and thus reduce the number of unnecessary surgical procedures.MATERIALS AND METHODS: Among 608 VAB procedures performed for nonpalpable ultrasound (US)-occult mammographic abnormality, 102 cases of B3 were included in this study. Mammographic lesion type, lesion size, Breast Imaging Reporting and Data System (BIRADS) category, number of specimens per lesion and presence of atypia were retrospectively analysed. Results were compared with histological findings at surgery (53 cases) or mammographic findings during follow-up (49 cases). Statistical analysis was performed with univariate analysis (chi-square test), and statistical significance was set at p<0.05.RESULTS: The majority of cases were depicted as isolated microcalcifications (82.3%), were smaller than 10 mm (80.4%), had a low level of radiological suspicion (64.7%) and had 11 or more cores sampled (94.1%). Atypia at VAB was reported in 60 of 102 cases (58.8%). Carcinoma was found at excision in 5/60 (8%) B3 lesions with atypia and in no B3 lesions without atypia (p=0.146). Cancer at surgery was more frequent among cases of isolated microcalcifications (p=0.645), cases with high radiological suspicion (p=0.040) and those with a smaller number of cores sampled (borderline significant p=0.064).CONCLUSIONS: On the basis of our experience, the presence or absence of atypia in our series proved to be the reliable criterion to prompt or avoid surgery in cases with a VAB finding of B3 lesion. This criterion may therefore be adopted in practice to more accurately select patients for surgery
Modelling unsaturated soils with the Material Point Method. A discussion of the state-of-the-art
Full text linkMany natural hazards involve large deformations of unsaturated soils, e.g. rainfall-induced landslides, embankment collapses due to wetting, seepage-induced instabilities of dams and levees, etc. The study of these phenomena requires accounting for the complex hydro-mechanical interactions between solid skeleton and pore fluids and modeling large deformations to predict the post-failure behaviour, which poses significant computational challenges. In recent years, several hydro-mechanical coupled MPM formulations were developed to model saturated and unsaturated soils. These approaches are slightly different in terms of governing equations, integration schemes and have been implemented in different MPM software; thus, they benefit from various computational features. The purpose of this paper is to present an overview of the available MPM approaches to model unsaturated soils discussing differences and similarities of the formulations and their impact on the results under different conditions in a range of geotechnical applications. In addition, the effect of partially saturated conditions on the critical time step in explicit numerical integration schemes is studied for the first time. Different analytical expressions are derived and compared with the numerical results
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