3D nonlinear coupled modelling of geomaterials using the unconventional Subloading Surface approach

The purpose of the work presented in this thesis is aimed to investigate the nonlinear behaviour of porous media, in detail soils, by means of an unconventional plasticity model named subloading surface. The main feature of this model is the abolition of the neat distinction between elastic and plastic domains by assuming that plastic deformations occur whenever a change in the stress state is induced. Inside the conventional yield surface a new surface is create by means of a similarity transformation. This new surface, named subloading surface, expands or contracts depending on the stress evolution, leading to a gradual and smooth development of permanent deformations in the granular material. Besides the more realistic answer of the simulations this theory allows a simpler numerical computation without the recourse of special techniques to define if the stress lies or not on the yield surface. In fact the subloading surface is such to pass always to the current stress point assuming the role of driving and measuring how the stress evolves in the analysis. Many unconventional plasticity models can be found in literature but, except for the present, they all show some defects which may be relevant in cyclic plastic analyses where the accumulation of errors can produce a significant mistake in the forecast of the simulations. As it will be shown in the following chapters the simple subloading surface model and the extended subloading surface one have been implemented in a fully coupled hydro-(thermo)-mechanical three dimensional F.E. research code, PLASCON 3D, in several scenarios dealing with: consolidation problems, subsidence at regional scale, numerical triaxial tests, tensile strength for particular soils and finally cyclic plasticity investigations. All the results show a good accordance with experimental data proving the reliability both of the theoretical model and of its implementation in the F.E. code

Lo scopo di questo elaborato è quello di analizzare il comportamento non lineare di mezzi porosi, nel dettaglio terreni, tramite un modello di plasticità non convenzionale chiamato subloading surface. La principale caratteristica di questo modello è l’abolizione della distinzione in un dominio elastico ed uno plastico assumendo che le deformazioni plastiche si producano ogni qualvolta venga introdotta una variazione nello stato tensionale nel materiale. All’interno della superficie plastica convenzionale si crea una nuova superficie tramite una trasformazione di similitudine. Questa nuova superficie, chiamata subloading surface, si espande o si contrae a seconda dell’evoluzione dello stato di stress, producendo un graduale e regolare sviluppo delle deformazioni plastiche nei materiali. Al di là della risposta più realistica del modello nelle simulazioni, questa teoria permette un calcolo numerico “più snello” senza dover ricorrere a speciali tecniche numeriche per verificare se lo stress giaccia o meno sulla superficie plastica ed eventualmente riportarlo su di essa. Infatti la superficie di subloading è costruita in modo tale da passare sempre per il punto di stress attuale assumendo il ruolo di guidare e misurare come lo stato tensionale evolva nelle analisi. In letteratura si trovano numerosi esempi di modelli plastici non convenzionali ma, ad eccezione del presente, tutti mostrano qualche lacuna che può risultare rilevante in analisi cicliche dove l’accumulo di errori è in grado di produrre uno scostamento notevole dalla risposta reale. Come verrà mostrato nei capitoli successivi il modello simple subloading surface e quello extended subloading surface sono stati implementati in un codice di ricerca igro-(termo-)meccanico pienamente accoppiato, chiamato PLASCON 3D, per simulare diversi scenari: problemi di consolidazione, prove triassiali, resistenza a trazione per alcune tipologie di terreni ed infine per analisi di plasticità con carichi ciclici. Tutti i risultati ottenuti mostrano una buona capacità di riprodurre dati sperimentali provando l’affidabilità sia del modello teorico che della sua implementazione nel codice ad elementi finiti