Tribunal:
     PRESIDENT: NAVARRO GAMIR, VICENTE
     SECRETARI: RAMON TARRAGONA, ANNA
     VOCAL: PINTADO LLURBA, XAVIER CESAR
Resum de tesi: Els sòls no saturats són casos particulars de medis porosos, caracteritzats per un esquelet sòlid i un conjunt de fluids que es poden moure a través de l'esquelet. A microescala, un medi porós està format per entitats interactuants de vàries dimensions (fases 3D, interfases 2D, línies comunes 1D, punts comuns 0D), que contenen vàries espècies (mineral, aigua, aire,...). Si es poden definir elements de volum representatius (REV), fent una mitjana s'obté un conjunt de continus macroescala interactuants, que es poden modelar usant la teoria de mescles. Després d'amitjanar, es perden les característiques geomètriques microescala de les entitats i les distribucions microescala de les propietats termodinàmiques a les entitats. Per recuperar part d'aquesta informació, es defineixen variables macroescala geomètriques (volum, àrea, longitud o nombre de punts de cada entitat al REV) i variables macroescala de densitat (per exemple, massa de cada espècie en cada entitat al REV). Es suposa que l'estat d'un medi porós ve donat per la deformació de l'esquelet sòlid, la mesura (volum, àrea, longitud, nombre de punts) de cada entitat microescala per unitat REV, la massa de cada espècie a cada entitat microescala al REV, la temperatura i un conjunt de variables internes. El nombre de variables d'estat es pot reduir significativament suposant que l'evolució del medi porós és al llarg d'estats d'equilibri local. Aquests estats són tals que, per a valors prescrits del tensor de deformacions de l'esquelet sòlid, la massa total de cada espècie per unitat de volum de referència, la temperatura i les variables internes, la mesura de cada entitat microescala al REV i la massa de cada espècie a cada entitat microescala al REV prenen valors únics, tals que l'energia lliure total per unitat de volum de referència és mínima. Per tant, l'estat d'un medi porós ve donat pel tensor de deformacions de l'esquelet sòlid, la massa total de cada espècie per unitat de volum de referència, la temperatura i les variables internes.El model constitutiu d'un medi porós es deriva usant el marc de la termodinàmica amb variables internes, en què el medi porós es considera un sistema termodinàmic obert. Les equacions d'estat es deriven de l'energia lliure i les equacions d'evolució de les variables internes es deriven de la dissipació o d'un potencial de dissipació. Per a sòls no saturats, es fan hipòtesis simplificadores addicionals: (1) petites deformacions de l'esquelet sòlid; (2) condicions atmosfèriques isotèrmiques; (3) tres espècies: mineral sòlid, aigua i gas; i (4) resposta elastoplàstica de la deformació de l'esquelet sòlid i del contingut de massa d'aigua. En alguns sòls forces d'interacció de curt abast lliguen l'aigua a l'esquelet sòlid. L'aigua veïnal està lligada a l'esquelet sòlid, mentre que l'aigua lliure no ho està. El comportament de l'aigua lliure és com si estigués fora del sòl, de manera que les distribucions microescala de pressió són uniformes (sense tenir en compte la gravetat) i els potencials químics i la temperatura permeten definir una pressió macroescala. En canvi, el comportament de l'aigua veïnal depèn de les forces d'interacció, pel que les distribucions de pressió microescala no són uniformes. S'accepta que el comportament d'un sòl ve donat per tres règims diferents: (1) saturat (aigua veïnal fixa, aigua lliure variable, sense fase gasosa); (2) capil•lar (aigua veïnal fixa, aigua lliure variable, fase gasosa); i (3) sec (aigua veïnal variable, sense aigua lliure, fase gasosa). En cadascun d'aquests règims s'usa un model constitutiu diferent per al sòl. Es donen exemples genèrics d'aquests models: elastoplàstic per al règim saturat, elastoplàstic amb histèresi del contingut d'aigua per al règim capil•lar i elastoplàstic per al règim sec.

Tribunal:
     PRESIDENT: LIZCANO, ARCESIO
     SECRETARI: OLIVELLA PASTALLE, SEBASTIAN
     VOCAL: CUOMO, SABATINO
Resum de tesi: El Mètode de Punt Material (MPM) es presenta com un mètode numèric avançat emprat per simular problemes geotècnics sotmesos a grans deformacions i problemes d'interacció sòl-estructura, com esllavissades, problemes de penetració i de col·lapse d'estructures geotècniques. El seu avantatge és la capacitat per simular grans moviments sense els problemes relacionats amb el mallat dels models, típics del Mètode d'Elements Finits (FEM) estàndard.La simulació de diferents estats dels materials i condicions externes és un aspecte desafiador en l'enginyeria geotècnica. Aquest procés requereix una anàlisi detallada sobre com abordar fenòmens com la pluja i el flux d'aigua a través del sòl. A més, és fonamental incorporar de manera precisa les relacions constitutives del material per replicar o predir adequadament el comportament esforç-deformació.La modelització de sòls no saturats és necessària en diversos camps, especialment en obres geotècniques que utilitzin materials compactats, com terraplens, preses i rebliments, així com en vessants naturals. L'estudi i anàlisi d'aquests sòls requereix la modelització de tot el procés de l'obra, des de la seva construcció, si escau, fins al comportament post-ruptura.Fins a la data, la simulació de l'estat no saturat del material s'ha realitzat principalment emprant FEM, sota la hipòtesi de petites deformacions a nivell teòric. Això inclou el desenvolupament de models constitutius tant mecànics com hidràulics de forma acoblada i la implementació d'eines numèriques avançades.En aquesta tesi es presenten avanços en la modelització de sòls no saturats en problemes de grans deformacions mitjançant el desenvolupament del MPM. S'ha aplicat la formulació d'un únic punt i múltiples fases, demostrant el seu potencial per millorar la precisió i la fiabilitat de les simulacions amb grans deformacions.Primer, es presenten els desenvolupaments per simular condicions de contorn per sòls no saturats (flux imposat i condició de rebuf). Són condicions complexes especialment si es té en compte que el contorn on s'apliquen no es manté fix i ha de determinar-se durant els càlculs. La validació de les condicions es realitza per al cas d'una columna de sòl sotmesa a flux per infiltració. Els resultats es comparen amb els obtinguts a partir d'un codi d'elements finits extensament utilitzat, donant resultats similars.Després, es proposa la modelització, del col·lapse per mullat en MPM. Per a això s'implementa un model constitutiu que permet modelar les principals característiques del comportament de materials no saturats. El model està basat en la teoria de l'estat crític i treballa amb dues formulacions alternatives; la tensió de Bishop o la tensió neta, juntament amb la succió. La validació es duu a terme mitjançant assaigs de laboratori convencionals.A continuació, s'analitza la pèrdua de volum per mullat, una característica associada a sòls no saturats amb estructura oberta. La pèrdua de succió del material comporta una pèrdua de resistència i, en conseqüència, la possibilitat de ruptura. Aquest és el cas d'un assaig físic realitzat en centrífuga d'un talús sotmès a un procés d'augment del nivell freàtic des de la base, el que genera l'evolució del front de saturació, deformacions induïdes per col·lapse i, finalment, un desplaçament en assolir condicions crítiques de saturació.Finalment, es va implementar un esquema numèric que simula la construcció per etapes, la qual cosa representa un avenç significatiu en l'aplicació del MPM per analitzar el comportament dels materials durant l'etapa de pre-fallada.La modelització de la construcció és rellevant ja que la seva simulació no només representa el procés de construcció i els desplaçaments ocorreguts durant aquest, sinó que també estableix l'estat inicial de l'estructura per a les etapes posteriors d'anàlisi

Tribunal:
     PRESIDENT: PRAT CATALAN, PERE
     SECRETARI: SEGURA SERRA, JOSE MARIA
     VOCAL: XOTTA, GIOVANNA
Resum de tesi: Per mitigar les conseqüències del canvi climàtic s'han proposat diverses mesures, entre les quals es troben l'ús d'energies renovables com la geotèrmia i el desenvolupament de tecnologies com l'emmagatzematge d'hidrogen o CO₂, que requereixen la injecció de fluids dins de massissos rocosos fracturats (com els reservoris abandonats), cosa que suposa un canvi en l'estat tensional d'aquests. Aquesta alteració pot ocasionar el desencadenament d'esdeveniments micro-sísimics mitjançant la reactivació de falles geològiques o la creació de noves fractures que, en última instància, formarien camins preferencials per a la filtració dels fluids. A més, els reservoris abandonats contenen fluids multifase amb més d'una espècie que podrien reaccionar químicament amb els nous fluids injectats. Per tant, la predicció precisa de les condicions d'operació requereix una anàlisi profunda de la problemàtica, així com disposar d'un programari geomecànic avançat capaç d'avaluar la viabilitat i la seguretat dels possibles llocs d'extracció o emmagatzematge.En aquest context, l'objectiu principal d'aquesta tesi és el desenvolupament d'un model termo-hidro-mecànic (THM) acoblat multifase en un medi porós fracturat mitjançant el mètode dels Elements Finits emprant elements junta de gruix nul de doble node per representar les discontinuïtats. Les principals hipòtesis del model són: la teoria de petites deformacions, un sistema compost per dues fases fluides (líquida i gasosa), dues espècies (aigua i gas) i una fase sòlida; la fase gasosa es comporta d'acord amb la llei dels gasos ideals i es considera l'evaporació de la fase líquida. Les variables primàries són: desplaçaments, pressions de fase i temperatura. La formulació contempla: l'equació d'equilibri, l'equació de balanç de massa de l'espècie aigua, l'equació de balanç de massa de l'espècie gas i el balanç d'energia. La formulació de les discontinuïtats considera les mateixes hipòtesis que el medi porós i pren en compte un factor de reducció dels paràmetres de la corba de retenció basat en l'obertura mecànica de la fractura. El model ha estat implementat i validat amb exemples de verificació acadèmics en un codi 3D d'Elements Finits.No obstant això, durant la fase de validació s'han trobat algunes limitacions del model, relacionades amb l'esquema d'integració temporal, pel que fa al tractament dels termes d'emmagatzematge de les equacions de govern i els fluxos de masa. Aquestes limitacions han motivat els següents nous desenvolupaments: una nova formulació que conserva la massa aplicada a les equacions de difusió en el medi porós i a les discontinuïtats, una nova corba de retenció de tipus exponencial que pren com a punt de partida la porosimetria en el cas del medi porós i la distribució d'obertures a les discontinuïtats, i, finalment, una nova llei constitutiva cohesiva-friccional per a les juntes que permet la modelació del tancament en descàrrega.

Tribunal:
     PRESIDENT: SALOMONI, VALENTINA
     SECRETARI: PRAT CATALAN, PERE
     VOCAL: LIAUDAT, JOAQUÍN
     VOCAL: CIANCIO, DANIELA
     VOCAL: MAROTTI DE SCIARRA, FRANCESCO
Resum de tesi: Un alt índex d'humitat i un entorn ric en ions sulfat constitueixen el marc ideal per desencadenar el procés de degradació del formigó conegut com a atac sulfàtic extern (ESA). El sulfat que penetra al formigó activa una sèrie de reaccions químiques que condueixen a la formació d'etringita secundària, considerada responsable de les dilatacions volumètriques diferencials de la pasta de ciment, que alhora poden generar fisuració i en última instància portar a la desintegració de la mostra.Atès que la fissuració pot facilitar la penetració dels ions sulfat, l'ESA constitueix un problema químico-mecànic acoblat. En aquest estudi, l'anàlisi numèrica de l'ESA es duu a terme utilitzant el Mètode dels Elements Finits, considerant la proveta a nivell "meso" composta per àrids encastats en una matriu de morter. Els àrids i la matriu es discretitzen utilitzant elements de continu estàndard. Per tal de representar la possibilitat de formació de fissures, s'insereixen elements junta o interfície de gruix zero al llarg de tots els contactes entre elements d'àrid i morter, així com alguns contactes seleccionats entre els elements del mateix morter. Els processos de difusió-reacció dels ions sulfat es formulen d'acord amb Tixier i Mobasher (2003) i Idiart et al. (2011b). Pel que fa al problema mecànic, els elements del continu es consideren elàstic lineals mentre que els elements junta utilitzen una llei elasto-plàstica amb conceptes de mecànica de fractura inicialment desenvolupada per Carol et al. (1997) i posteriorment estesa per a anàlisi 3D per Caballero et al. (2006).La primera part d'aquesta tesi consisteix en la verificació i l'ús per a l'anàlisi de l'ESA, de DRAC5, una versió completament paral·lelitzada del codi desenvolupat al propi grup de mecànica de materials (MECMAT) de la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC), que incorpora les llibreries MPI i PETSC així com fitxers HDF5 per a l'entrada/sortida. Aquesta nova versió del codi, que s'utilitza per resoldre tant el problema mecànic com el químic a través d'un esquema “staggered”, ha permès l'anàlisi de nous casos 3D de dimensions molt superiors, produint resultats realistes que reflecteixen la fissuració de tipus 'pell de ceba', similar a l'observat al laboratori, així com en casos prèviament estudiats numèricament en 2D (Idiart, 2009).La segona part de la tesi descriu el desenvolupament i la implementació de noves tècniques numèriques aplicables a aquest tipus de malles. En particular, una tècnica de solució basada en la subestructuració i el complement de Schur, s'aplica a l'anàlisi de provetes formades per elements de continu elàstics i lineals, i elements de junta caracteritzats per un comportament elasto-plàstic no lineal. Aquesta nova tècnica, que redueix substancialment el nombre de graus de llibertat que participen en el procés iteratiu, ha estat implementada preliminarment a DRAC4, una versió seqüencial del mateix codi. Les proves realitzades mostren grans avantatges en termes de temps de resolució per a una sèrie d exemples d aplicació 2D. També s'ha iniciat el desenvolupament d'una nova formulació utilitzant interfícies rígid-plàstiques. Aquesta formulació utilitza graus de llibertat relatius a cada parell de nusos de les juntes, i la seva solució dóna lloc a un “"linear complimentarity problem” o LCP. Aquest desenvolupament permet reduir encara més els graus de llibertat del problema en considerar únicament els nodes dels elements de la interfície implicats en el procés de fractura.

Tribunal:
     PRESIDENT: SAWYER, AUDREY
     SECRETARI: FERNANDEZ GARCIA, DANIEL
     VOCAL NO PRESENCIAL: PALTAN LOPEZ, HOMERO
Resum de tesi: La gestió sostenible d’aigües subterrànies en zones rurals presenta desafiaments derivats de la complexitat hidrogeològica, socioeconòmica i de governança de cada zona. Aquesta tesi té com a objectiu proporcionar eines quantitatives per abordar alguns dels problemes d’accés al aigua subterrània en àrees rurals de països d’ingressos baixos i mitjans mitjançant la promoció d’un enfocament interdisciplinari. La primera part de la tesi se centra en presentar una metodologia que avalua el risc a la manca d'accés a l'aigua per a llars individuals. Després d'una anàlisi multifactorial que incorpora un rang ampli de variables, des de tècniques fins a socials, es va concloure que gran part del risc general d'escassetat d'aigua per a una llar individual es pot atribuir a tres factors: la proximitat de la llar a la font, la disponibilitat d’aigua subterrània en suficient qualitat i quantitat, i la sostenibilitat del sistema. A cada factor se li assigna un valor al rang de [0 - 1], el qual és representat a través de l'ús de sistemes d'informació geogràfica. Després, tots tres indicadors es combinen en un índex final. La metodologia permet avaluar el risc a diferents escales temporals i considerar diferents escenaris hipotètics. Es presenta l'aplicació de la metodologia al comtat de Kwale (Kenya) on les bombes manuals comunitàries constitueixen el principal sistema de subministrament d'aigua. La segona part de la tesi estén l'anàlisi a quatre països de l'Àfrica Oriental, en un intent d'abordar la complexitat i l'heterogeneïtat que caracteritzen la interacció humana-aigua subterrània en els sistemes de subministrament d'aigua rurals. Es proposa una anàlisi estadística multivariable, considerant la funcionalitat dels punts d'aigua, la qualitat de les aigües subterrànies (composició química i paràmetres fisicoquímics), i paràmetres socioeconòmics, com ara el manteniment, el finançament o el sistema de governança dels punts d'aigua . L'anàlisi es fa mitjançant anàlisis factorials múltiples, amb l'objectiu de determinar les variables principals que afecten l'accés a l'aigua i la relació entre elles. La metodologia es va aplicar a zones rurals de Kenya, Uganda, Malawi i Etiòpia. Els resultats mostren l'existència de tendències comunes, indicant que l'accés a l'aigua a les zones rurals d'aquests països es pot descriure principalment mitjançant tres components: un que representa l'entorn hidrogeològic, un segon que comprèn la governança dels punts d'aigua, i un tercer component vinculat a la funcionalitat de les bombes manuals. Finalment, la tesi explora els patrons d'ús de l'aigua a les llars i l'impacte de la salinitat de l'aigua subterrània a la selecció de fonts d'aigua per a usos diversos. La metodologia considera un enfocament de mètodes mixtos que combina enquestes a la població que utilitza les fonts d'aigua subterrània i anàlisis fisicoquímiques. Es van utilitzar matrius de coocurrència per analitzar patrons d'ús i models de regressió logística per comprendre la influència de la salinitat, els factors demogràfics i els factors socioeconòmics en les preferències d'ús de diverses fonts d'aigua per part de les llars de la zona de Kwale. L'estudi mostra que, en general, la població depèn principalment d'una font d'aigua bevible que no canvia segons l'estació i, tanmateix, es produeixen canvis significatius en altres usos d'aigua analitzats (domèstic, agrícola o ramader a petita escala) . Factors com el sabor, la seguretat i la proximitat tenen un paper important en les decisions de les llars respecte de la principal font d'aigua potable. A més, l'estudi destaca l'impacte significatiu dels nivells de salinitat de l'aigua subterrània als patrons d'ús, identificant nivells llindar de salinitat més enllà dels quals és menys probable que les llars elegeixin certes fonts d'aigua.

Tribunal:
     PRESIDENT: ZHU, HONGHU
     SECRETARI: MOYA SANCHEZ, JOSE
     VOCAL: ZHANG, WENGANG
     VOCAL: ZHONG, QIMING
     VOCAL NO PRESENCIAL: ABANCÓ MARTÍNEZ DE ARENZANA, CLÀUDIA
Resum de tesi: Aquesta tesi se centra en l'avaluació de la susceptibilitat de l'esllavissades superficials en zones muntanyoses induïdes perprecipitació o esdeveniments sísmics. L'objectiu principal és avaluar de manera eficient la susceptibilitat d'esllavissades a escalaregional basant-se en la modelització física dins d'un marc probabilístic alhora que es té en compte les incerteses derivades decondicions geològiques complexes i els reptes relacionats amb la recollida de dades de camp.L'estudi proposa un marc innovador per a l'avaluació probabilística de la susceptibilitat a esllavissades mitjançant la introducciódel mètode de fiabilitat de primer ordre (FORM) a la plataforma de sistema d'informació geogràfica (GIS), anomenada "GISFORM".Aquest mètode aborda eficaçment el repte de considerar la incertesa en els mètodes de paràmetres geotècnics a escalaregional. Per avaluar correctament i eficientment la susceptibilitat a esllavissades superficials a escala regional causada per laprecipitació, es va proposar un model d'infiltració de pluja instantània simplificat basat en la integració del mètode GIS-FORM. Elmodel simula la variació de la profunditat del front saturat a causa de la infiltració vertical de la pluja i l'escorrentia superficial.Posteriorment, es va desenvolupar un programari general per a la plataforma Windows. Els resultats mostren que el coeficient devariació (COV) dels paràmetres aleatoris, la correlació estadística i la distribució no normal tenen un impacte significatiu enl'avaluació de la probabilitat de les esllavissades. Es proposa un marc d'anàlisi ràpida per a l'avaluació probabilística de lasusceptibilitat de les esllavissades poc profunds a escala regional integrant el model "Fast Shallow Landslide Assessment Model"(FSLAM) i el GIS-FORM. L'estudi revela que les condicions hidrològiques poden influir significativament en la distribució espacialdels lliscaments de terra, especialment sota els impactes combinats de les pluges antecedents i les precipitacionsdesencadenants. S'observa que l'extensió de la zona d'alta susceptibilitat augmenta considerablement quan la precipitaciódesencadenant està entre 77 i 107 mm. Per millorar encara més la precisió de les avaluacions de susceptibilitat, aquest estudiproposa un mètode innovador d'agrupació mitjançant tècniques de processament d'imatges. Aquest enfocament simplificaeficaçment el resultat del ràster i també millora notablement la precisió de predicció de l'avaluació de la susceptibilitat.

Tribunal:
     PRESIDENT: BROWN, MICHAEL JOHN
     SECRETARI: ALONSO PEREZ DE AGREDA, EDUARDO
     VOCAL: GONZALEZ TEJADA, IGNACIO
Resum de tesi: Els pilons clavats en sòls granulars guanyen capacitat de fust després de la instal·lació en un fenomen conegut com a "maduració". La maduració no s'ha incorporat en gran mesura als procediments de disseny perquè els mecanismes subjacents no s'entenen bé. Aquesta tesi descriu una investigació micromecànica de l'efecte del muntatge de pilons en sorra utilitzant un model DEM basat en fractures desenvolupat recentment per simular el comportament dependent del temps en sorra.La fluència i la relaxació de la tensió al voltant del pilot han estat àmpliament discutides com a possibles mecanismes subjacents per a l'efecte de maduració del fust. Seguint la idea que la fluència i la relaxació de la tensió a sorres solen anar acompanyades de trencament de grans, es proposa un nou model basat en el mètode d'elements discrets (DEM) per simular fluència i relaxació en sorres. El model apunta a la simplicitat conceptual, l'eficiència computacional i la facilitat de calibratge. A aquest efecte, s'incorpora una nova forma de llei de potència de Charles normalitzada en un model DEM per a sorres fragmentables rugoses basat en la tècnica de divisió de partícules. El temps de fluència/relaxació de la tensió s'avança fent servir una estratègia d'envelliment fora de DEM. El model es valida simulant la fluència/relaxació de la tensió en sorres de quars en condicions edomètriques i triaxials. Es demostra que les prediccions del model es comparen favorablement amb els resultats experimentals de fluència en termes de deformació per fluència, taxes de deformació per fluència i evolució de trencament de partícules/GSD, i amb els resultats experimentals de relaxació de la tensió en termes de tensió relaxada, taxa de relaxació de la tensió i evolució de GSD.Posteriorment, el model DEM de fractura diferida es va implementar en una cambra DEM centrífuga per simular la fluència i la maduració de pilons. Els assentaments simulats de fluència de pilons coincideixen amb les observacions en termes del paràmetre de fluència de pilons m i la taxa de fluència de pilons. La maduració simulada en pilons clavats cauen dins el rang d'observacions de camp per a aquest tipus de pilons. Els resultats obtinguts indiquen que el trencament de partícules pot tenir un paper important en el muntatge i representen el primer intent de modelatge validat daquest fenomen complex.Per familiaritzar-se amb el modelatge DEM de problemes de penetració, també es va dur a terme una simulació CPT i SPT basada en DEM en una sorra volcànica, utilitzant una càmera de calibratge virtual (VCC). Els resultats simulats del CPT reflecteixen bé els experiments de la literatura sobre un rang de densitat i tensió de confinament. Es pot observar una bona correlació entre la resistència de la punta de l'SPT equivalent basada en energia i la resistència de la punta del CPT si es descompten els efectes de la resistència de l'eix. L'esquema d'avenç de l'SPT es pot utilitzar per simular el del pilotatge en estudis futurs una vegada es determinin els paràmetres de clavament adequats.Paraules clau: materials granulars, mètode d'elements discrets, sorra, fluència, trituració de partícules, propagació d'esquerdes, relaxació de la tensió, dependència del temps, centrífuga, piló, fluència del piló, maduració de fust, envelliment fora de DEM.

Tribunal:
     PRESIDENT: GÓMEZ HERNÁNDEZ, JAIME
     SECRETARI: SANCHEZ VILA, FRANCISCO JAVIER
     VOCAL: PROVOST, ALDEN
Resum de tesi: Els aqüífers són naturalment heterogenis a múltiples escales, comportant una dificultat per models de transport de soluts basats en malles. Quan l'advecció és el mecanisme de transport dominant, les concentracions tendeixen a ser influenciades per oscil·lacions i per la difusió numèrica, afectant negativament els càlculs relacionats amb les reaccions químiques. Els mètodes de partícules estan lliures d'aquests problemes gràcies en part a la descripció de l'advecció amb el desplaçament de les partícules. En general, simulacions basades en partícules condueixen a una millor descripció dels processos de transport complexos i les seves mètriques, incentivant el seu ús per a simular el transport reactiu en aqüífers. No obstant això, limitacions relacionades amb l'eficiència computacional, o la disponibilitat de programes basats en partícules, encara influeixen en la capacitat d'aquests mètodes per arribar als usuaris i als estudis aplicats al món real. L'objectiu d'aquesta tesi és contribuir al desenvolupament de mètodes de partícules per a la modelització del transport reactiu en aqüífers. El treball aporta noves metodologies i programes computacionals que es poden integrar en el flux de treball dels modeladors. La primera part de la tesi presenta el desenvolupament progressiu d'un codi de transport basat en el mètode de Random Walk Particle Tracking (RWPT). Per tal de construir un model que sigui capaç d’integrar-se correctament als models de flux usats per hidrogeòlegs, s’han hagut de desenvolupar diversos components. El treball comença amb la implementació de la paral·lelització en un codi de partícules conegut, que és la base del programa principal. Un mòdul complementari proveeix la reconstrucció suau de concentracions, compatibles amb conjunts de partícules amb pesos no uniformes i dominis tridimensionals. Aquests es fusionen en un únic programa que implementa RWPT, que també va requerir la formulació d'un nou mètode per desplaçar les partícules de solut exactament a la interfície d'una cel·la de model de flux. El producte és un nou codi de transport multiespècie que incorpora diverses funcionalitats necessàries per als estudis de transport reactiu. La tesi continua amb un capítol de revisió del mètode Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH), centrant-se en la seva capacitat per simular la dispersió anisotròpica en medis heterogenis. Encara que el potencial de SPH és reconegut en literatura, un efecte no físic sembla haver dificultat la seva adopció: les simulacions conservatives presenten concentracions negatives en escenaris amb dispersió anisotròpica. Per abordar el problema, es van avaluar tres formulacions de SPH, discutint l'origen de les concentracions negatives. En aquest capítol, es presenta la primera aplicació del mètode SPH a un aqüífer amb representació explícita de l'heterogeneïtat i dispersió anisotròpica, sense concentracions negatives. Addicionalment, es discuteix el potencial de SPH per a simular el transport reactiu controlat per la mescla, destacant una de les formulacions com un mètode robust quan les partícules es troben desordenades, per a un ampli rang d’anisotropies. La tesi finalitza amb una nova formulació no lineal de transport reactiu multicomponent considerant propietats de dispersió específiques per a cada espècie. L'estudi està motivat per una hipòtesi recurrent a la literatura que considera que els coeficients de dispersió són els mateixos per a totes les espècies químiques. Tanmateix, experiments han demostrat que els coeficients de difusió específics limiten la mescla transversal, controlant l'extensió de les zones de reacció. Es presenta una nova expressió per a calcular els índex de reacció tenint en compte les diferències en els coeficients de transport. Aquesta expressió explica processos de mescla no lineals proporcionals a les diferències en els coeficients de transport, també influenciats per la composició química de les solucions d'entrada.

Tribunal:
     PRESIDENT: VILLAR GALICIA, MARÍA VICTORIA
     SECRETARI: LLORET MORANCHO, ANTONIO
     VOCAL: JOMMI, CRISTINA
Resum de tesi: Els materials amb base de bentonita, que presenten baixa permeabilitat, gran retenció d'aigua i propietats d'auto-segellat, han estat àmpliament utilitzats com a barreres d’enginyeria en instal·lacions de disposició de residus. Existeixen diverses tipologies de bentonites. Per una banda, durant la instal·lació de les bentonites en forma de pols, es pot produir l'alliberament i dispersió de les partícules fines, mentre que el vessament de bentonites en forma de mescles de pellets/pols pot resultar en la segregació de partícules. D'altra banda, les mescles de sorra/bentonita presenten un menor potencial d’inflament que les bentonites pures. Els blocs de bentonita fortament compactats són més laboriosos d'instal·lar i el seu ús podria dificultar l'alliberament de gasos formats en les instal·lacions operatives a llarg termini. Aquests problemes tecnològics poden abordar-se mitjançant l'ús de bentonita granular (BG), que presenta grànuls de mida mil·limètrica i grans de mida micromètrica, juntament amb una distribució de mida de partícula (PaSD) estesa (Fuller) que millora la treballabilitat i la capacitat de vessament. A més, la BG conté nombrosos macroporus que permeten l'alliberament de gas a baixes pressions. En conseqüència, la BG està emergint com un material de referència per a barreres d'enginyeria. Tanmateix, les propietats geotècniques de la BG segueixen sent poc conegudes, particularment en termes de preparació de mostres, evolució de la mida de partícula i de la seva microestructura, així com les seves correlacions amb el comportament hidro-mecànic (HM), el transport de gas i la capacitat d'auto-sellat. Aquesta tesi presenta un marc experimental i teòric robust, sistemàtic i a escala múltiple per estudiar aquests aspectes. Els resultats ofereixen noves perspectives a escala de partícula sobre la tècnica de preparació de mostres de BG i com aquesta afecta el comportament HM (per exemple, compressibilitat sota càrrega, expansió/col·lapse volumètric i pressió de inflament per saturació sota diferents condicions tensionals i de contorn) i la seva microestructura. S'ha proposat una metodologia simple que combina la Porosimetria per Intrusió de Mercuri (MIP) i la Tomografia Micro-Computada per raigs X (Micro-CT) per millorar la caracterització de la microestructura de la BG compactada. Gràcies a aquest mètode, el comportament HM de la BG compactada (per exemple, pressió de inflament, permeabilitat a l'aigua) ha estat analitzat més a fons des de la perspectiva de l'escala de porus, ja que té en compte un rang més ampli de mides. Aquesta informació microestructural també ha servit de base per desenvolupar un model constitutiu multi-escala i multi-físic del comportament de retenció d'aigua. A més, l'estructura de tipus granular amb nombrosos macroporus interconnectats limita l'acumulació de gas atrapat en estats parcialment saturats. S'ha trobat que les seves propietats de transport de gas també depenen de com evoluciona la microestructura inicial en resposta a la pressurització del gas. Les vies de migració del gas en diferents estats HM han estat rastrejades mitjançant imatges i posteriorment utilitzades per definir un model que incorpora aquesta microestructura única i la seva evolució per predir la permeabilitat al gas. També, la microestructura de tipus granular amb molts grànuls d'alta densitat influeix en el segellat dels buits tecnològics durant la càrrega i la saturació. Després del segellat dels buits, el comportament HM de la BG compactada està governat per la microestructura de la matriu establerta durant la compactació (la creació del buit afecta la compactació). La geometria dels buits residuals determina si poden actuar com a vies preferencials per al flux d'aigua i gas. En conclusió, aquesta Tesi contribueix amb informació significativa per avaluar el comportament a curt i llarg termini de la BG com a geomaterial per a barreres d'enginyeria.

Tribunal:
     PRESIDENT: CARRERA RAMIREZ, JESUS
     SECRETARI: SAALTINK, MAARTEN WILLEM
     VOCAL: DE SIMONE, SILVIA
Resum de tesi: L'emmagatzematge geológic profund és actualment l'opció preferida per gestionar els residus radioactius de vida llarga i que emeten calor. Aquest métode implica confinar els residus duran! un periode extremadament llarg, potencialment de centenars de milers d'anys, col· locant-los en una formació geológica profunda. Per tan!, comprendre la migració deis gasos produ'its per la corrosió deis metalls, la degradació microbiana i la radiólisi de l'aigua dins d'un dipósit geológic profund és crucial per avaluar el rendiment del dipósit i l'evolució a llarg termini. L'objectiu principal d'aquest estudi és millorar la capacita! predictiva deis models numérics per comprendre els processos i mecanismes d'iniciació i creixement de fractures en argil· lites amb heterogene'ilat i anisotropia inherents, especialment sota increments rapids de la sobrepressió del gas. Per aconseguir aixó, es van aplicar geoestadistiques en el programari de métode d'elements finits CODE_BRIGHT per generar un camp heterogeni correlaciona! espacialment per a la porositat. En CODE_BRIGHT, propietats com el módul de Young, la permeabilitat intrínseca i la conductivitat térmica són funcions de la porositat, cosa que fa que aquestes propietats també siguin heterogénies. A més, es va implementar la solució del problema d'Eshelby per introduir tan! l'heterogene'ilat com l'anisotropia en el módul de Young. És crucial seleccionar les lleis constitutives adequades per introduir efectivament l'anisotropia en la permeabilitat intrínseca. Es van realitzar simulacions per validar el marc proposat i es van fer analisis de sensibilitat tan! a escala de laboratori com d'experiment in situ per avaluar el rendiment del model. Els resultats indiquen que el model proposat capta amb éxit les principals característiques observades de les argil·lites heterogénies anisotrópiques duran! la injecció de gas, incloent-hi la formació de camins preferents de gas.