Dynamic large deformation modelling of soils including static liquefaction
Authors:   , Carluccio Gaia di 
Published: July 2023

Modelling geotechnical problems involving large deformation is a research field that arouses growing interest since it is fundamental for evaluating the risk and quantifying the magnitude of consequences. However, it is still challenging and requires to develop solution schemes able to reproduce failure initiation as well as post-failure dynamics.
This thesis focuses on studying large deformations geotechnical problems subjected to static and dynamic loadings including static liquefaction in saturated and partially saturated soils that induces flow-like landslides.
Accounting for the difficulties to treat large deformation with the traditional lagrangian approaches, due to the excessive distortion of the mesh elements, the Material Point Method (MPM) is adopted. MPM discretises the continuum media into a set of material points that can move attached to the material and carry all the information. The governing equations are solved at the nodes of the computational mesh that remains fixed in space. This double discretization provides to MPM the capabilities of handling problems involving large displacements and deformations. The numerical developments and simulations are carried out in the open-source MPM Anura3D code.
The method is applied for the simulation of geotechnical cases dealing with soil excavation. First, the stability of strutted excavations in clay is studied and MPM results, which provides a realistic interpretation of failure, are compared with analytical solutions based on simplified assumption. An interesting discussion of the discrepancies found between the methods is also included. In the second example, the well-documented Cortes de Pallás landslide due to toe excavation is simulated. Consistently with field observation, the excavation produces significant displacements after which a new stable configuration is reached.
Later on, the thesis presents the study of a complex real landslide occurred during a dam construction project, including its seismic assessment. This is a case of creeping slide motion and it is characterized by two superimposed sliding surfaces. Different scenarios of geometry and groundwater conditions, representing the landslide history and futures stabilizing measures and rainfall regimes, are considered for the stability analysis with FEM. MPM is used instead to carry-out a motion back-analysis on an unstable scenario. The creeping behaviour observed is also discussed through an analytical calculation in which the case is simplified to a planar landslide. Finally, the seismic assessment is performed with a focus on the effect of the superimposed slip surfaces. Results of MPM are compared with Newmark’s approach in its classical form and by introducing the strain-rate dependence on the residual friction angle.
The last part of the thesis focusses on modelling a liquefaction-induced flow landslide from the failure triggering to the subsequent slide-to-flow transition. With this aim, an advanced constitutive model able to simulate static and cyclic soil response such as accumulation of permanent strains, excess pore pressure and degradation of soil stiffness modulus, is implemented in the open-source MPM Anura3D code. For the validation and calibration of the code and the constitutive model, laboratory tests published in the literature are reproduced. After validation, the model is applied to a real case of flow landslide recently occurred in Catalonia (Spain) Its parameters are calibrated based on data of undrained triaxial tests that show the liquefaction potential of the material involved. MPM simulation is able to reproduce the failure initiation caused by a water inflow and the large deformations in the post-failure stage. The final run-out calculated is found to be significantly affected by the model parameter accounting for liquefaction susceptibility.
La modelización de problemas geotécnicos que involucran grandes deformaciones es un campo de investigación que despierta un interés creciente ya que es fundamental para evaluar el riesgo y cuantificar la magnitud de las consecuencias. Sin embargo, sigue siendo un desafío y requiere desarrollar soluciones capaces de reproducir el inicio de la rotura, así como la propagación del movimiento. Esta tesis se centra en el estudio de problemas geotécnicos de grandes deformaciones, incluida la licuefacción estática en suelos saturados y parcialmente saturados que inducen flujos de tierra. Teniendo en cuenta las dificultades en tratar grandes deformaciones con los enfoques tradicionales lagrangianos, debido a la excesiva distorsión de los elementos de la malla, se ha adoptado el Método del Punto Material (MPM). Los desarrollos numéricos y las simulaciones se llevan a cabo en el código abierto Anura3D. El método se ha aplicado para la simulación de casos geotécnicos relacionados con excavación de suelo. Primero, se ha estudiado la estabilidad de excavaciones sostenidas en arcilla y se han comparado los resultados del MPM, que proporcionan una interpretación realista de la rotura, con soluciones analíticas basadas en hipótesis simplificadas. También se ha incluido una discusión interesante de las discrepancias encontradas entre los métodos. En el segundo ejemplo, se ha simulado el bien documentado deslizamiento de tierra de Cortes de Pallás debido a la excavación del pie. Consistentemente con las observaciones de campo, la excavación produce desplazamientos significativos después de los cuales se alcanza una nueva configuración estable. Luego, la tesis presenta el estudio de un complejo deslizamiento real ocurrido durante el proyecto de construcción de una presa, incluyendo su evaluación sísmica. Este es un caso de movimiento deslizante lento y se caracteriza por dos superficies de deslizamiento superpuestas. Para el análisis de estabilidad con FEM se han considerado diferentes escenarios de geometría y condiciones de aguas subterráneas, que representan el historial de deslizamientos y futuras medidas de estabilización y regímenes de lluvia. En cambio, MPM se ha utilizado para llevar a cabo un análisis inverso de movimiento en un escenario inestable. El comportamiento observado de movimiento lento también se ha analizado a través de un cálculo analítico en el cual el caso se ha simplificado a un deslizamiento de tierra plano. Finalmente, se ha realizado la evaluación sísmica con un enfoque en el efecto de las superficies de deslizamiento superpuestas. Los resultados del MPM se han comparado con el método de Newmark en su forma clásica e introduciendo la dependencia de la velocidad de deformación en el ángulo de fricción residual. La última parte de la tesis se centra en la modelización de un flujo de tierra inducido por licuefacción, desde el desencadenamiento de la rotura hasta la posterior transición de deslizamiento a flujo. Con este objetivo, se ha implementado en el código abierto Anura3D un modelo constitutivo avanzado capaz de simular la respuesta estática y cíclica del suelo, como la acumulación de deformaciones permanentes, el exceso de presión de poros y la degradación del módulo de rigidez del suelo. Para la validación y calibración del código y del modelo constitutivo se han reproducidos ensayos de laboratorio descritos en la literatura. Después de la validación, el modelo se ha aplicado a un caso real de flujo de tierra ocurrido recientemente en Cataluña (España). Sus parámetros se han calibrado basándose en datos de ensayos triaxiales no drenados que muestran el potencial de licuefacción del material involucrado. La simulación MPM es capaz de reproducir la iniciación de la rotura causada por afluencia de agua y las grandes deformaciones en la etapa post-rotura. El alcance final del deslizamiento calculado se ve significativamente afectado por el parámetro del modelo que representa la susceptibilidad a la licuefacción.