Thermomechanical modelling of ground response under environmental actions.
Authors:   , Samat Sergio 
Published: July 2023

Natural disasters, such as landslides triggered by heavy rains, rock deformations and soil cracking in presence of temperature changes and other phenomena related to climatic actions, show the relevance of investigating the effects of the interactions between the atmosphere and the earth ground surface where main human activities develop. The prediction of such hazard requires an adequate knowledge of the changes in hydro-geological conditions under climatic actions. Having advanced constitutive models able to predict the thermo-hydro-mechanical response of natural soils in unsaturated and non-isothermal conditions is also necessary to this end.
The topic of this dissertation is the modeling of the soil-atmosphere interactions and its application to several geotechnical problems. Soil-atmosphere interactions encompass heat and mass exchanges (air, water). They have been modeled following Noilhan (1988) approach which includes evaporation and transpiration, sensible heat exchange, net radiation and heat convected by air and water flow. The modeling of these interactions is integrated within a thermodynamic investigation of behaviour of
three-phase porous medium in order to provide a general comprehension of the addressed problem. A thermo-hydro-mechanical code provided with a specific boundary condition for heat and mass exchange between the ground and the atmosphere have been enhanced, particularly by the addition of a module to cope with transpiration according to vegetation characteristics.
Soil-vegetation-atmosphere interaction model have been coupled with thermo-hydro-mechanical models in the framework of the finite element code. In order to ensure good computational characteristics, the models have been derived from the general frameworks of poro-mechanics and hyperplasticity for saturated, unsaturated and non-isothermal geological media and implemented using modern algorithms based on the optimization techniques such as the interior-point algorithms.
Studies of several cases have been carried out with the model, all validated with field data. They include: (a) the change in moisture content in an experimental field of the National Meteorological service in France, (b) the response of a foundation of collapsible silt layer and (c) the stability of a rock cliff located at Roque Gageac site - France. Results show the ability of the model to represent properly water and heat exchange between the soil and the atmosphere and to successfully overcome difficult modeling issues such as the occurrence of traction failure due temperature gradients and plastic zone under the foundation.
Some practical conclusions have been also shown concerning the bearing capacity of a foundation on an unsaturated soil layer and the stability of rock block interpreted as a cantilever bean under climatic actions.
Desastres naturales, tales como el desencadenamiento de deslizamientos, deformación en macizos rocosos y fisuración de suelos en presencia de cambio de temperatura y otros fenómenos relacionados a acciones climáticas, evidencian la importancia de investigar los efectos de las interacciones entre la atmosfera y la superficie de la tierra, donde se desarrollan las principales actividades humanas.
La predicción de tales deslizamientos requiere un conocimiento adecuado de los cambios de las condiciones hidrogeológicas bajo acciones climáticas. Con este fin es necesario disponer de modelos constitutivos avanzados capaces de predecir la respuesta termohidro-mecánica de suelos naturales en condiciones parcialmente saturadas y no isotérmicas
El objeto de esta tesis es el modelado de las interacciones suelo-atmósfera y su aplicación a diversos problemas geotécnicos. Las interacciones suelo-atmosfera contemplan el intercambio de calor y masa (aire, agua). Ellas has sido modeladas siguiendo el enfoque propuesto por Noilhan (1988) que incluye flujos de evaporación y transpiración, el calor
sensible intercambiado, la radiación neta y el calor de convección debido a flujos aire y agua. El modelado de estas interacciones se integra dentro de un estudio termodinámico del comportamiento del medio poroso no saturado con tal de proveer un entendimiento general del problema abordado. Un código termo-hidro-mecánico provisto con una
condición de contorno específica para el intercambio de calor y masa entre el suelo y la atmosfera ha sido mejorado, en particular un modulo para modelar la transpiración de acuerdo a las características de la vegetación ha sido añadido.
El modelo de interacción suelo-vegetación-atmosfera ha sido acoplado con modelos termo-hidro-mecánicos en el marco de un código de elementos finitos. A fin de asegurar buenas características computacionales, los modelos han sido desarrollados desde marcos generales de la poro-mecánica y la hiperplasticidad para medios geológicos saturados, parcialmente saturados y no-isotérmicos e implementados usando algoritmos modernos basados en técnicas de optimización como algoritmos de punto-interior.
El estudio de varios casos ha sido llevado a cabo con el modelo propuesto, todos ellos validados con datos de campo. Incluyendo: (a) el cambio del contenido de humedad en un campo experimental del servicio Meteorológico Nacional en Francia, (b) la respuesta de una fundación de una capa limo-arcillosa colapsable y (c) la estabilidad de un acantilado
ubicado en Roque Gageac - Francia. Los resultados muestran la habilidad del modelo para representar adecuadamente los intercambios de agua y calor entre el suelo y la atmosfera y superar satisfactoriamente problemas complejos de modelación tales como la falla por tracción debido a gradientes de temperatura y zonas plásticas bajo fundación. Se presentan conclusiones prácticas a cerca de la capacidad de carga de una fundación sobre una capa de suelo parcialmente saturada y la estabilidad de un bloque de roca interpretado como una viga voladizo sometida a acciones climáticas
Desastres naturals, tals com el desencadenament d’esllavissades, deformació en massissos rocosos, fissuració de sòls en presència de canvis de temperatura i altres fenòmens relacionats amb accions climàtiques, evidencien la importància d’investigar els efectes de les interaccions entre l’atmosfera i la superfície de la Terra, on es desenvolupen les principals activitats humanes.
La predicció de tals esllavissades requereix un coneixement adequat dels canvis de les condicions hidrogeològiques sota accions climàtiques. Amb aquest fi és necessari disposar de models constitutius avançats capaços de predir la resposta temo-hidro-mecànica de sòls naturals en condicions parcialment saturades i no isotèrmiques.
L’objectiu d’aquesta tesi és la modelització de les interaccions sòl-atmosfera i la seva aplicació a diversos problemes geotècnics. Les interaccions sòl-atmosfera contemplen l’intercanvi de calor i massa (aire, aigua). Elles han estat modelades seguint l’enfoc proposat per Noilhan (1988) que inclou fluxos d’evaporació i transpiració, la calor sensible intercanviada, la radiació neta i la calor de convecció degut a fluxos d’aire i aigua.
La modelització d’aquestes interaccions s’integra dins d’un estudi termodinàmic del comportament del medi porós no saturat per tal de proveir un enteniment general del problema abordat. Un codi termo-hidro-mecànic proveït amb una condició de contorn específica per l’intercanvi de calor i massa entre el sòl i l’atmosfera ha estat millorat, en
particular un mòdul per modelitzar la transpiració d’acord amb les característiques de la vegetació ha estat afegit.
El model d’interacció sòl-vegetació-atmosfera ha estat acoblat amb models termo-hidromecànics en el marc d’un codi d’elements finits. Per tal d’assegurar bones característiques computacionals, els models han estat desenvolupats des de marcs generals de la poromecànica i la hiperplasticitat per a medis geològics saturats, parcialment saturats i noisotèrmics i implementats utilitzant algoritmes moderns basats en tècniques d’optimització amb algoritmes de punt-interior.
L’estudi de diversos casos ha estat dut a terme amb el model proposat, tots ells han estat validats amb dades de camp. Incloent: (a) el canvi del contingut d’humitat en un camp experimental del servei Meteorològic Nacional a França, (b) la resposta d’una fonamentació d’una capa llimo-argilosa col·lapsable i (c) l’estabilitat d’un penya-segat situat a Roque Gageac – França. Els resultats mostren l’habilitat del model per representar adequadament els intercanvis d’aigua i calor entre el sòl i l’atmosfera i superar satisfactòriament problemes complexes de modelització tals com la ruptura per tracció degut a gradients de temperatura i zones plàstiques sota una fonamentació. Es presenten conclusions pràctiques referents a la capacitat de càrrega d’una fonamentació sobre una capa de sòl parcialment saturada i l’estabilitat d’un bloc de roca interpretat com una biga en voladís sotmesa a accions climàtiques.