anisotropy, fracture, localization, self-healing, salt crystallization, mechanical degradation
anizotropia, lokalizacja zniszczenia, samoleczenie, krystalizacja soli, degradacja mechaniczna
This PhD. thesis is concerned with modeling the chemo-hydro-mechanical behavior of different types of geomaterials, including both natural and engineered materials used in construction. It addresses two significant issues related to specification of failure criteria, i.e. inherent anisotropy and degradation of properties caused by environmental damage. The research also examines the hydromechanical behavior in the presence of self-sealing and self-healing fractures. The main objective is to enhance our understanding of the mechanical response of structured geomaterials including multi-phase interactions (water—skeleton) and the evolution of strength and deformation properties. The study focuses on a class of inelastic quasi-britfle geomaterials, such as sedimentary and crystalline rocks, as well as components of structural masonry. Inherent anisotropy in the microstructure is examined using a rock formation from the Carpathian Flysch Belt. The aim is to establish a continuum-based plasticity framework that incorporates an anisotropic failure criterion. This criterion employs the notion of a microstructure tensor and considers the directional dependence of properties as well as the volume fraction of constituents. The procedure for identification of material parameters/functions is based on mesoscale simulations conducted on a representative elementary volume.
Furthermore, the research investigates the chemo-hydro-mechanical interaction in fractured crystalline rocks, with a particular emphasis on studying the processes of self-sealing and self—healing of fractures. The work involves developing a general mathematical framework for describing the chemo-mechanical interaction. The approach utilizes a constitutive relation with embedded discontinuity, incorporating an internal scale parameter that affects both hydraulic and mechanical properties. In addition, the research is focused on specification of conditions at failure and examining the time-dependent evolution of strength parameters in construction materials that experience environmental damage due to salt crystallization The study involves a comprehensive experimental as well as numerical component. The evolution laws are expressed in terms of the degree of pore saturation with precipitated salt, which is subsequently employed in the development of governing constitutive equations that couple the mechanical response with salt crystallization phenomenon.
Overall, this thesis encompasses a broad and interdisciplinary scope. addressing anisotropy, presence of discontinuities, fracture sealing and healing, and degradation of properties caused by saIt deposition in pores. The research findings have applications in various areas of Civil and Environmental Engineering.
Przedstawiona praca doktorska dotyczy opisu zachowania chemo-hydro-mechanicznego szerokiej klasy geomateriałów, zarówno występujących naturalnie, jak i stosowanych w budownictwie. Porusza ona głównie dwie istotne kwestie związane ze sformułowaniem kryteriów zniszczenia, tzn. anizotropie wytrzymałości materiału oraz degradacje właściwości mechanicznych spowodowana czynnikami środowiskowymi. Przedstawione rozważania zawierają również opis zachowania hydromechanicznego materiałów spękanych podlegających procesowi samouszczelnienia oraz samoleczenia. Głównym celem pracy jest rozszerzenie wiedzy na temat zachowania geomateriałów z wewnętrzną strukturą, uwzględniając interakcje wielofazowe (woda-szkielet) oraz ewolucje właściwości wytrzymałościowych. Badania te koncentrują się na klasie materiałów niesprężystych quasi-kruchych, takich jak skały krystaliczne i osadowe, a także elementy konstrukcji murowych. Naturalnie występująca anizotropia jest opisana na przykładzie fliszu karpackiego. Głównym celem jest tu sformułowanie makroskopowe w ramach teorii plastyczności, które wykorzystuje anizotropowe kryterium zniszczenia. Kryterium to jest oparte na pojęciu tensora mikrostruktury i uwzględnia kierunkową zależność właściwości oraz udział objętościowy składników. Procedura identyfikacji parametrów/funkcji materiału opiera się na symulacjach w skali mezo przeprowadzonych dla reprezentatywnej elementarnej objętości.
Ponadto badania dotyczą opisu chemo-hydro-mechanicznego zachowania spękanych skał krystalicznych. ze szczególnym naciskiem na badanie procesów samouszczelniania i samoleczenia pęknięć. Badania obejmują opracowanie modeli matematycznych uwzględniających interakcje chemiczno-mechaniczną. Podejście to wykorzystuje związek konstytutywny z wbudowaną nieciągłością, który zawiera wewnętrzny parametr skali wpływający zarówno na właściwości hydrauliczne, jak i mechaniczne. Badania również koncentrują się na określeniu warunków zniszczenia oraz zależnej od czasu ewolucji parametrów wytrzymałościowych w materiałach budowlanych, które poddane są degradacji środowiskowej związanej z krystalizacja soli.
Badanie obejmuje kompleksową część eksperymentalną i numeryczną. Prawa ewolucji wyrażone są w funkcji stopnia nasycenia porów wytraconą solą. Ten sam parametr jest następnie wykorzystywany do opracowania równań konstytutywnych łączących odpowiedź mechaniczną ze zjawiskiem krystalizacji soli. Przedstawiona praca ma szeroki i interdyscyplinarny zakres, jako że uwzględnia anizotropie, obecność nieciągłości, uszczelnianie i leczenie spękań oraz degradacje właściwości spowodowaną akumulacją soli w porach. Wyniki badań mają zastosowanie w różnych obszarach Inżynierii Lądowej i Inżynierii Środowiska.
