RESUM
Les sorres cimentades son abundants en sistemes naturals i enginyats, des de sòls biocementats fins a gresos, on l’unió interparticular té un paper crític en el comportament mecànic. Modelitzar amb precisió la influència de la cementació en la deformació i el fallament continua sent un repte a causa de la complexa interacció entre la textura granular i les característiques de la cementació a escala de partícula. Aquesta tesi estableix un marc numèric integral basat en el Mètode d’Elements Discretes (DEM) per modelar sorres lleugerament i fortament cementades, integrant desenvolupaments numèrics, modelització micromecànica i validació experimental.
Seguint una filosofia de modelatge que avança de simple a complex, la sorra cimentada es representa com una combinació d’un esquelet de sorra net i una cementació superposada. Aquest enfocament permet una separació clara entre les contribucions granulàries i de lligam, millora la interpretabilitat física i redueix la calibratge numèric excessiu. La recerca comprèn desenvolupaments teòrics en metodologia DEM i estudis d’aplicació que cobreixen materials granulars no cimentats, feblement cimentats i fortament cimentats, sistemàticament validats amb dades experimentals.
A nivell teòric, es proposa un marc estandarditzat per a la generació d’empaquetaments de partícules, formalitzant explícitament el coneixement tàcit incorporat en procediments empírics. S’introdueix un algorisme d’Expansió de Radius Millorada amb control servo i desplaçament aleatori (IRESR) per garantir un control de tensions robust i mitigar els efectes de frontera, i es desenvolupa l’eina de codi obert DEMGen per generar i caracteritzar empaquetaments de partícules representatius. S’estableixen dos models de partícules unides: un Model de Vincle Paral·lel (PBM) millorat i un Model de Dany Bilineal de Vincle Paral·lel (PBBDM), aquest últim incorporant dany progressiu basat en l’energia de fractura i un debilitament post-cim. A més, es desenvolupa una estratègia de calibratge de paràmetres accelerada per aprenentatge automàtic (ML) per millorar l’eficiència del calibratge mantenint la precisió.
El marc s’aplica a sorres sense ciment, sorres poc cimentades i sorres fortament cimentades. Les sorres biocementades es modelen utilitzant característiques de calcita derivades de micro-CT, mentre que la pedra arenosa de Fontainebleau es simula mitjançant un enfocament d’increment de partícules basat en la física. Els resultats revelen una transició d’un comportament dominat pel contacte a un comportament dominat per l’adherència a mesura que augmenta la cimentació, demostrant la robustesa i la generalitat del marc proposat.
Tutors:
CANDIDAT
Chengshun Shang és doctorand en Anàlisi Estructural al clúster de recerca de Mecànica Estructural i de Partícules de CIMNE. Té una llicenciatura en Enginyeria de Mines i un màster en Enginyeria Geotècnica per la SDUST i la SDU (Xina). La seva recerca se centra en mètodes numèrics basats en partícules per a geomaterials cimentats.