Studio di funzioni di capillarità per prevedere il comportamento volumetrico di terreni parzialmente saturi in condizioni vergini.

Abstract

I terreni parzialmente saturi, caratterizzati dalla coesistenza di aria e acqua nei pori, manifestano fenomeni idromeccanici distintivi rispetto a quelli completamente saturi. Tra questi, la suzione, la discontinuità della fase liquida e l’effetto delle forze capillari sui contatti intergranulari determinano un comportamento meccanico non lineare, dipendente dal grado di saturazione e dalla distribuzione delle fasi fluide. In tale contesto, le funzioni di capillarità rivestono un ruolo centrale nella modellazione del comportamento volumetrico e dei fenomeni di ritenzione idrica, poiché quantificano l’effetto delle forze capillari generate dai menischi sulla risposta meccanica del terreno, specie in termini di rigidezza e stabilità del reticolo granulare. La funzione proposta da Gallipoli e Bruno (2017) ha rappresentato un primo tentativo di modellazione continua del comportamento volumetrico dei terreni insaturi, introducendo una relazione esplicita tra grado di saturazione e compressibilità tramite una funzione logaritmica che collega lo stress medio scheletrico allo stress "scalato". Tuttavia, il modello del 2017 presenta limiti per saturazioni molto basse (Sr < 0.6), dove l’ipotesi di continuità perde significato fisico per la scomparsa dei menischi e il conseguente degrado della coerenza strutturale del suolo. Per superare tali criticità, Gallipoli e Bruno (2025) hanno introdotto un’evoluzione della funzione, formulando una nuova variabile costitutiva che considera sia la densità dei menischi attivi (funzione del grado di saturazione) sia la loro forza stabilizzante (funzione della suzione). Questa versione aggiornata consente una rappresentazione più coerente del comportamento dei suoli anche in condizioni di bassa saturazione, migliorando la continuità e ampliando il dominio del modello. La validazione si è basata su prove edometriche e triassiali su campioni parzialmente saturi. I risultati mostrano buona coerenza tra comportamenti osservati e previsti.

Partially saturated soils, with coexisting air and water in their pores, exhibit distinctive hydro-mechanical phenomena compared to fully saturated soils. Among these, suction, liquid phase discontinuity, and capillary effects on intergranular contacts induce nonlinear mechanical behavior, strongly influenced by saturation degree and fluid phase distribution. In this framework, capillarity functions are key to modeling volumetric behavior and water retention, as they quantify capillary force effects caused by water menisci on soil response, especially in stiffness and stability of the granular structure. The capillarity function by Gallipoli and Bruno (2017) marked an early attempt to continuously model unsaturated soil behavior, introducing a link between saturation and compressibility via a logarithmic function that relates mean skeletal stress to scaled stress. However, at low saturation levels (Sr < 0.6), this model shows limits, as the assumption of continuity becomes physically unsound due to menisci loss and structural breakdown. To address this, Gallipoli and Bruno (2025) proposed an improved capillary function, introducing a constitutive variable that incorporates active menisci density (saturation-dependent) and their stabilizing force (suction-dependent). This update offers a more consistent soil behavior representation under low saturation, extending model validity. Experimental data from suction-controlled tests (oedometer and triaxial) supported model validation, allowing parameter calibration and prediction assessment. Results align well with observations, confirming the formulation’s reliability. The study contributes to advanced modeling of unsaturated soils.