Auswirkung der Kornauflösung auf abschüssigem Gelände

Sep 08, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 22203 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die statische und dynamische Stabilität natürlicher oder bebauter Böschungen kann durch Auflösung oder lösungsähnliche Phänomene beeinträchtigt werden. Ihre zugrunde liegenden Mechanismen bleiben jedoch unklar. Neue experimentelle Ergebnisse und Simulationen diskreter Elemente liefern Informationen auf Partikelebene und im Makromaßstab über die Folgen der Mineralauflösung auf das Hangverhalten. Im Mikromaßstab bilden sich lasttragende Kornbögen um sich auflösende Partikel, die Porosität nimmt zu und Kontaktkraftketten entwickeln sich zu einer Wabentopologie. Während auf der Makroskala vertikale Setzungen das vorherrschende Deformationsmuster sind, treten in geneigtem Boden auch bei quasistatischem Granulatverlust ausgeprägte seitliche Granulatbewegungen auf, die zu Massenverschwendung führen. Die horizontale Kornverschiebung ist an der Oberfläche am größten und nimmt linear mit der Entfernung von der Hangoberfläche ab, um an den unteren Grenzen Null zu erreichen, ähnlich wie die vertikale Kornverschiebung entlang der Tiefe. Sedimente mit kleineren Reibungswinkeln und steilerem Gefälle erfahren eine größere Verschiebung, sowohl vertikal als auch horizontal. Hänge werden nach der Auflösung flacher, wobei die Verringerung des Neigungswinkels direkt mit dem Verlust der Bodenhöhe, ΔH/Ho, zusammenhängt. Aufgrund des porösen Gewebes, das durch die Auflösung entsteht, ist die vertikale Verkürzung jedoch geringer als die Obergrenze, die aus dem Verlust des Feststoffmassenanteils ΔH/Ho≈SF geschätzt wird. Unter wassergesättigten Bedingungen kann das nach der Auflösung auftretende Gewebe zu plötzlicher, nicht entwässerter Scherung und Hangrutschung führen.

Auflösung und Wiederausfällung sind weit verbreitete und anhaltende diagenetische Prozesse. Die Zeitskala für chemische Prozesse ist typischerweise recht lang und die „Inertheitsannahme von Böden“ trifft auf viele technische Anwendungen zu. Auflösung und Ausfällung können jedoch auch innerhalb relativ kurzer Zeitskalen in advektiven Regimen wie der durch Infiltration verursachten Karbonatauflösung stattfinden und wenn Systeme in jungen Systemen wie Dammfundamenten, Minenrückständen, Flugasche, Vulkanasche usw. weit vom Gleichgewicht entfernt sind CO2-Injektion1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13.

Abfälle sind besonders anfällig für Auflösung und Abbau, da ihre Bestandteile plötzlich neuen Umweltbedingungen außerhalb des Gleichgewichts ausgesetzt sind. Schwermetalle und saurer Abfluss aus Minenrückständen und Flugaschebecken sind frühe Anzeichen für laufende Auflösungsprozesse14,15. Ebenso sind einige Bestandteile der Flugasche, darunter CaO und CaSO4, sehr gut löslich16,17. Die Auflösung von Kohlenaschekörnern trägt zur Instabilität und zum Zusammenbruch bei18; andererseits können neue Mineralien wie Zeolith und Phillipsit ausfallen19,20. Auflösung und Wiederausfällung führen zu porösen, aber zementierten Sedimenten, die spröde und zusammenziehend sind und bei Störungen anfällig für Verflüssigung sind. Die Möglichkeit einer Hanginstabilität aufgrund des Verlusts fester Phase könnte sich auf die Abfallentsorgung (einschließlich organischer Abfälle, Minenrückstände und Kohleasche) auswirken.

Bei vielen natürlichen Bodenbewegungen kommt es in irgendeiner Form zu einem Verlust der festen Phase, wenn auch nicht unbedingt zur Auflösung von Mineralien. Wiederholtes tägliches oder saisonales Frost-Tauen, das das Auftauen von Eisnadeln und getrenntem Eis mit sich bringt, führt zu einer abfallenden Ratschenbewegung, die als Solifluktion bezeichnet wird21,22,23,24. Das Versagen des Carsington-Staudamms ereignete sich entlang einer bereits vorhandenen Solifluktionsscherebene innerhalb der Fundamentschicht25,26. In den letzten Jahrzehnten hat der abnehmende Permafrost in Hochgebirgen und Polarregionen zunehmend zu Erdrutschen geführt27,28,29,30 und zur Destabilisierung von Gesteinsstrukturen beigetragen31,32.

Ebenso ist die Dissoziation von Gashydraten eine der Hauptursachen für großflächige unterseeische Erdrutsche33,34,35,36,37, die in der Storegga-Rutsche38,39 und der Trænadjupet-Rutsche40,41 zu sehen sind. Die Dissoziation von Hydraten geht nicht nur mit einem Verlust an Feststoffmasse einher, sondern geht auch mit der Gaserzeugung und -expansion einher, was zu einer deutlichen Erzeugung übermäßigen Porendrucks und einem effektiven Spannungsverlust führt33,42. Die Dissoziation von Gashydraten kann auf natürliche Weise durch Schwankungen des Meeresspiegels43 und steigende Meerestemperaturen44 ausgelöst werden und ist in der Nähe von Plattformfundamenten unvermeidlich34,45. Darüber hinaus kann die Auflösung gezielt zur Gasproduktion herbeigeführt werden46.

Wie oben beschrieben, haben viele Studien Hangbewegungen im Feld auf Auflösung oder auflösungsähnliche Phänomene zurückgeführt. Bislang gibt es jedoch noch keine Studie, die die Auswirkungen der Auflösungsmechanismen auf das Verhalten geneigter Böden näher untersucht hat. Der Zweck dieser Forschung besteht daher darin, die Stabilität und Verformung von geneigtem Boden aufgrund von Feststoffphasenverlusten wie der Auflösung von Mineralien zu untersuchen. Unser Ziel ist es insbesondere, die Massenverschwendungseigenschaften während der Auflösung unter trockenen, entwässerten Bedingungen zu verstehen, indem wir Mikro- und Makroskaleninformationen verwenden, die aus Simulationen diskreter Elemente gewonnen wurden, und etwaiges auftretendes Verhalten, wenn die Auflösung unter Wasser erfolgt, mithilfe eines Labormodelltests.

Der Forschungsansatz kombiniert ein hochkarätiges 1-g-Laborexperiment und eine Reihe diskreter Elementsimulationen. Beachten Sie, dass die beiden Ansätze nicht darauf ausgelegt sind, den Bedingungen der einzelnen Methoden gerecht zu werden, sondern ihre jeweiligen Vorteile zu ergänzen und zu nutzen. Beispielsweise verwendet das Experiment gesättigte Proben, während das DEM trockene Proben verwendet.

Wir haben ein 1-g-Laborexperiment entworfen und durchgeführt, um die Folgen der Auflösung an Hängen unter wassergesättigten Bedingungen zu untersuchen, was eine häufige Feldbedingung während der Auflösung ist.

Für die experimentelle Untersuchung wurde ein dünner Tank aus zwei parallelen, transparenten Acrylplatten (Breite 18 mm, getrennt durch einen Spalt von 13 mm; Abb. 1) verwendet. Die dicken Acrylwände hatten eine Größe von 914 mm × 610 mm und waren fest mit Abstandshaltern an den vier Rändern des Tanks befestigt, um die horizontale Durchbiegung der Wände, die sich aus dem Sedimentgewicht ergibt, zu minimieren. Die Einlassöffnungen am Boden waren mit einem Strömungsdiffusor bedeckt, der entlang der gesamten Basis unter dem Sediment verlief, was eine echte 1D-Strömung ermöglichte und eine gleichmäßige Auflösung förderte (Abb. 1).

Transparenter zweidimensionaler Tank zur Untersuchung der Auswirkungen der Auflösung auf die Hangstabilität.

Die hier präsentierten Ergebnisse entsprechen einem Sediment aus 90 % Sand (unlösliche Körner: D50 = 0,16 mm, Gs = 2,65, subrund, schlecht gradiert, globaler Reibungswinkel von 38°) und 10 % Salz (lösliche Körner: D50 = 0,3). mm, Gs = 2,165, kubisch, schlecht abgestuft) nach Gewicht, wodurch eine Mischung mit einem löslichen Anteil (SF) von 10 % entsteht. Sand und Salz wurden trocken gemischt und dann in den Tank geschüttet, sodass ein Gefälle mit einem anfänglichen Winkel von 30° entstand. Da sich die spezifischen Gewichte unlöslicher (GU = 2,65) und löslicher Körner (GD = 2,165) unterscheiden, haben wir deren gewichteten Durchschnitt zur Berechnung der anfänglichen globalen Porosität verwendet:

wobei m = Massenanteil löslicher Körner; und die Dichten ρw und ρdry entsprechen Wasser bzw. der Trockenmischung. Die anfängliche Porositätsmessung n0 beträgt 0,412 (mittlere Lockerheit).

Das Modell wurde langsam mit einer von unten durchdrungenen gesättigten NaCl-Solelösung geflutet (Dauer: 5 h); Sole verhinderte die Auflösung des mit dem Sand vermischten Salzes. Die allmähliche Auflösung wurde durch schrittweises Absenken der Salzkonzentration in der durchdrungenen Flüssigkeit kontrolliert (Dauer: 3 Tage). Diese langsamen und fortschreitenden Änderungen der Salzkonzentration über einen langen Zeitraum sorgten dafür, dass alle löslichen Partikel gleichzeitig an Größe abnahmen (eine „homogene Auflösung“ wie in Cha und Santamarina47). Die niedrige Reaktionsgeschwindigkeit (niedrige Damkohler-Zahl) gewährleistete eine gleichmäßige Auflösung und vermied bevorzugte Auflösungsmodi wie lokalisierte Auflösung und Flächenauflösung, die von der Einlassgrenze aus initiiert wurden. Darüber hinaus wurde für die Sättigung und Strömung ein sehr geringer hydraulischer Gradient (i < 0,1) aufrechterhalten, so dass ein vernachlässigbarer Auftriebsdruck auf die Sedimentpartikel entstand. Eine Kamera zeichnete die Hangverformung durch hochauflösende Zeitrafferaufnahmen im fünfminütigen Zeitintervall auf. Der Versuchsaufbau wurde während der Auflösung isoliert auf einem schweren, vibrationsfreien Tisch aufgestellt.

Obwohl es unmöglich ist, die Zeitskala der Auflösung vor Ort zu simulieren, haben wir sichergestellt, dass die Auflösung im Labor sehr allmählich erfolgte, wie die lange und gleichmäßige Auflösung zeigt. Folglich verhielt sich das System quasistatisch.

Frühere Forschungen haben die Trägheitszahl (I) verwendet, um die dynamischen Effekte in Partikelsimulationen48 und experimentellen Analysen49 zu quantifizieren. Die berechnete Trägheitszahl betrug ~ 10−8 für die Partikel auf der Oberfläche, was gut innerhalb der quasistatischen Kriterien liegt (I < 10−3).

Aufgrund des mangelnden Kontrasts im Sediment konnten digitale Bildkorrelationen vom Anfang bis zum Ende keine ausreichenden Verschiebungsfelder liefern. Stattdessen haben wir die Verschiebungen deutlich sichtbarer und hartnäckiger Verunreinigungen, die in hochauflösenden Bildern erkennbar sind, manuell nachverfolgt. Die Ergebnisse in Abb. 2a zeigen die Verschiebungsvektoren vom Beginn bis zum Ende der Auflösung, was zeigt, dass vertikale Verschiebungen vorherrschen, die Größe der vertikalen Verschiebungen fast linear mit der Höhe zunimmt und horizontale Verschiebungen zur Hangoberfläche hin immer deutlicher werden. Eine Flächenanalyse der Probe zeigt, dass das Gesamtvolumen um 7,5 % abnimmt, wobei der gelöste Anteil 12 % des Feststoffvolumens (10 % Gewichtsprozent) ausmacht, was die Berechnung der Porositätszunahme von der Ausgangsporosität n0 = 0,412 bis ermöglicht Endporosität nf = 0,440.

Experimentelle Ergebnisse. Verschiebungsvektoren an visuell erkennbaren Punkten: (a) Vom Anfang bis zum Ende der Auflösung. Hinweis: Die gepunktete Linie zeigt die ursprüngliche Böschungsoberfläche an; (b) Plötzliches Scherversagen, beobachtet während eines 5-minütigen Fotointervalls. Dieser Test entspricht einer Probe, die mit einem Massenanteil SF = 10 % löslicher Partikel vermischt ist. Hinweis: Verschiebungsvektoren werden in (a) und (b) im gleichen Maßstab dargestellt.

Bemerkenswert ist, dass wir eine plötzliche Verschiebung festgestellt haben, als alle aufgezeichneten Bilder als Filmsequenz abgespielt wurden. Abbildung 2b zeigt die beiden aufeinanderfolgenden Bilder, die diese plötzliche Verschiebung verdeutlichen. Die digitale Bildkorrelation erfasste die plötzliche Bewegung zwischen diesen aufeinanderfolgenden Bildern; siehe Abb. S1 in den Zusatzdaten. Die Verschiebungsvektoren definierten eine flache Bruchfläche. Die maximal mögliche Dauer für diesen lokalen Fehler beträgt das Zeitintervall zwischen den Fotos Δt = 5 Minuten (obwohl die Tatsache, dass die Lokalisierung ausschließlich in den beiden aufeinanderfolgenden Bildern enthalten ist, darauf hindeutet, dass die tatsächliche Dauer willkürlich viel kürzer sein könnte). Bei einer Entwässerungslänge ähnlich der Rutschtiefe d = 10 cm sollte der Konsolidierungskoeffizient für entwässerte Bedingungen höher als cv > d2/Δt = 0,3 cm2/s sein, was feinem Sand entspricht. Diese Ergebnisse legen nahe, dass dieses lokale Versagen unter nicht entwässerten Bedingungen auftrat.

Ein möglicher Mechanismus, der zum Abrutschen führt, könnte die folgende Abfolge von Ereignissen umfassen, wie auch in Abb. 3 dargestellt. Die Granulatauflösung führt zu einer erhöhten Porosität, wie in diesem Experiment und anderen Arbeiten gezeigt, und das Sediment wird kontraktiv47. Gleichzeitig nähern sich die inneren Spannungszustände dem Coulomb-Versagenszustand, also Ka50. Daher löste der aktive Versagenszustand den strukturellen Zusammenbruch des porösen körnigen Skeletts aus. Dieser plötzliche Zusammenbruch in Kombination mit der starken Kontraktionstendenz der Sedimente nach der Auflösung47 kann, wie im obigen Absatz beschrieben, zur vorübergehenden Erzeugung eines übermäßigen Porendrucks und zu einer Abnahme der effektiven Spannung führen, was zu einer Verringerung der Scherfestigkeit und zu einem Gefälle führte Versagen/Rutschen.

Abfolge von Bedingungen, die zum Rutschen führen. Das Spannungsverhältnis K0 und die Porosität stammen aus den dreidimensionalen Simulationen diskreter Elemente in Cha und Santamarina47.

Für die Seitenwände haben wir reibungsarme und kratzfreie Acrylplatten verwendet. Dennoch können die Grenzen Reibung zwischen den Partikeln und den Seitenwänden erzeugen und die Granulatbewegung an den Grenzen bis zu einem gewissen Grad verringern. Erstens kann die Reibung während der Auflösung die Setzung verringern und dann, sobald die Scherlokalisierung einsetzt, möglicherweise das Ausmaß der Bewegung verringern. Tatsächlich trat unser Scherrutsch über eine kurze Distanz auf. Die Tatsache, dass die Lokalisierung trotz der Grenzreibung erfolgte, könnte auf eine stärkere Verschiebung in einem 3D-Experiment mit einer großen lateralen Dimension hinweisen.

Die Folgen der Auflösung auf abschüssigem Gelände wurden mithilfe zweidimensionaler (2D) Diskrete-Elemente-Methode (DEM)-Simulationen mittels Particle Flow Code (PFC) 2D von Itasca weiter untersucht. Im Gegensatz zu den Experimenten waren die DEM-Simulationen trocken oder entwässert (kein Fluidmodul). Diese Bedingungen sind immer noch relevant für die Auflösung unter ungesättigten Bedingungen (z. B. durch wiederholte Regenwasserinfiltration)51,52 und für die Solifluktion in teilweise gesättigtem Boden oder sogar gesättigten Hängen grobkörniger Sedimente, die während der Auflösung keine Lokalisierung erfahren. Die Simulationen und Experimente simulieren zwar nicht die genauen Bedingungen, sammeln aber ergänzende Informationen.

Tabelle 1 zeigt die grundlegende Simulationsumgebung und die Materialeigenschaften. Die 2D-Simulationen verwendeten das lineare Kontaktmodell mit der Normalsteifigkeit kn = 108 N/m und der Schubsteifigkeit ks = 108 N/m. Wie oben erwähnt, waren die Bedingungen trocken/trocken und es gab keine seitliche Reibung an den Vorder- oder Rückwänden. Darüber hinaus gibt es keine Reibung zwischen dem Sediment und den vertikalen Seitenwänden, was die eindimensionale Setzung des ebenen Bodenteils ermöglichte, der einer gleichmäßigen Auflösung ausgesetzt war. Der Reibungskoeffizient zwischen dem Sediment und der unteren Grenze (nicht auflösendes Grundmaterial) betrug 0,5 (Abb. 4f). Die Steifigkeiten des Kontaktmodells und die Reibung zwischen den Partikeln wurden basierend auf der Literatur und dem Softwarehandbuch53,54,55,56 ausgewählt. Das Sediment bestand aus Scheiben, die an zufälligen Stellen innerhalb der Modellgeometrie platziert wurden und auf ihre endgültige Zielgröße wachsen konnten (dh eine gleichmäßige Größenverteilung mit Rmin = 0,4 mm und Rmax = 0,6 mm).

Probenvorbereitung und Kontaktkraftketten vor der Auflösung – Alle Fälle werden im gleichen Kraftmaßstab dargestellt. Lösliche Partikel werden rot dargestellt (SF = 25 %). Beachten Sie, dass die Anzahl der Partikel für alle Simulationen gleich ist (10.567).

Die Winkligkeit und Verzahnung der Körner, die einen Rotationswiderstand implizieren, kann numerisch umgesetzt werden, indem man einen Rollwiderstand auferlegt57,58,59,60 oder durch die Einführung von nicht-kugelförmigen Partikeln und körnigen Clustern61,62,63,64. Die behinderte Partikelrotation ist ein rechnerisch effizienter Ansatz, der die Kornwinkeligkeit berücksichtigt65,66. Numerische Ergebnisse sind physikalisch inkonsistent, wenn alle Teilchen die Rotation behindert haben; In dieser Studie haben wir die Rotation eines vorgewählten Prozentsatzes zufällig angeordneter Partikel behindert, d. Für eine Diskussion und Kalibrierung dieses Ansatzes mit den experimentellen Ergebnissen von Shin und Santamarina50 siehe Cha und Santamarina47. Obwohl dieser Ansatz die makroskopischen Trends und mikromechanischen Parameter im globalen Maßstab nachahmte, führte er zu unnatürlicheren Verhaltensweisen als bei rechenintensiven Techniken, die realistische Partikelformen verwenden; Insbesondere beobachteten wir eine übermäßige, lokale Dilatation um rotationsgehinderte Partikel.

Simulationen verwendeten drei anfängliche Neigungswinkel: β = 20°, 30° und 40° (Abb. 4). Der numerisch gemessene Ruhewinkel Φr nahm mit dem Prozentsatz der Partikel mit behinderter Rotation zu: Φr = 22° für HR = 0 %, Φr = 35° für HR = 40 % und Φr = 48° für HR = 80 %67 . Daher war nur die Steigung mit βo = 20° stabil, wenn HR = 0 %; die Steigungen mit βo = 20° und 30° waren für HR = 40 % stabil; und die drei Steigungen mit βo = 20°, 30° und 40° waren stabil, wenn HR = 80 %. Die Probenabmessungen für die β = 20°-Fälle betragen eine Basislänge von 284 mm und eine Höhe von 72 mm.

Lösliche Partikel wurden zufällig ausgewählt und somit homogen in der vorgeformten Granulatpackung verteilt (lösliche Partikel rot dargestellt; Abb. 4). Der Massenanteil löslicher Partikel (SF) betrug SF = 25 % aller Partikel. Beachten Sie, dass die löslichen Anteile in einem bestimmten Sediment, das wasserlösliche Mineralien wie Carbonat und Evaporit enthält, stark variieren können68,69.

Eine sanfte und schrittweise Größenreduzierung verhinderte numerische Instabilität und dynamische Effekte. Die Auflösung löslicher Partikel erfolgte durch schrittweises und gleichzeitiges Verringern des Radius aller löslichen Partikel im gleichen Tempo70. Insbesondere umfasste die schrittweise Größenreduzierung zahlreiche Schritte der winzigen Größenreduzierung (insbesondere eine Radiusreduzierung um das 1/50.000-fache des ursprünglichen Radius in jedem Schritt), wobei auf jeden Schritt eine Phase des vollständigen Gleichgewichts folgte47,71. Darüber hinaus war das Verhältnis der mittleren Ungleichgewichtskraft zur mittleren Kontaktkraft immer kleiner als 0,001, was stabile Bedingungen während des gesamten Auflösungsprozesses gewährleistete.

Die Trägheitszahl I ist das Verhältnis zwischen der Zeit für eine gegebene Verschiebung bei Beschleunigung durch die spannungsabhängigen Skelettkräfte σ'd2 und der Zeit für die gleiche Verschiebung bei gegebener auferlegter Dehnungsrate \(\dot{\upgamma }\)48, 72:

Für Partikel mit einem Durchmesser d = 1 mm, einer Korndichte ρ = 2650 kg/m3, einer durchschnittlichen effektiven Spannung σ' = 0,02 kPa der Oberflächenpartikel (der kritischste Fall) und einer Partikelschrumpfungsrate \(\dot{\upgamma }\) = 0,017/s, die berechnete Trägheitszahl I≈2 × 10−4 liegt innerhalb des quasistatischen Kriteriums I < 10−3 für dehnungsratenunabhängigen Reibungswiderstand. Für die globale Bewegung beträgt der berechnete I unter Anwendung einer Neigungsbewegungsrate \(\dot{\upgamma }\) = 0,004/s und einer effektiven Spannung von 0,6 kPa (in mittlerer Tiefe) 8 × 10−6.

Die Makroskalenparameter stabilisierten sich, als die Größe der löslichen Partikel auf 10 % der ursprünglichen Größe abnahm. Wir beendeten unsere Simulationen, als sich die Partikelgröße auf 1 % ihrer ursprünglichen Größe verringerte. Der Zeitschritt wurde auf \(\Delta \mathrm{t}=0.6\sqrt{\mathrm{m}/\mathrm{K}}\) eingestellt, wobei m die Partikelmasse und K die Partikelsteifigkeit ist; Der Zeitschritt änderte sich, als die Kornmasse m während der Simulationen abnahm. Die physikalische Zeit für die Auflösungssimulationen betrug etwa 2 Minuten, während die Berechnungszeit mehrere Wochen überstieg. Es folgen Beobachtungen aus den Simulationsergebnissen.

Kontaktkräfte bilden in körnigen Materialien charakteristische „Ketten“. Kraftketten sind in unseren Simulationen vor der Auflösung gleichmäßig verteilt und haben eine vorzugsweise vertikale Ausrichtung in Übereinstimmung mit dem typischen Spannungsverhältnis K0 ≈ 0,45 bei normaler Verdichtung, dennoch weicht die Hauptrichtung der Kraftketten in Hangnähe von der Vertikalen ab (Abb. 4). Abbildung 5 zeigt, dass im abschüssigen Gelände (von der Oberfläche zur Basis) im Ausgangszustand eine höhere Spannungsanisotropie vorliegt. Der größere Neigungswinkel führt zu höheren Werten der maximalen Scherspannungen dividiert durch die mittleren Normalspannungen.

Die Verteilung der maximalen Scherspannung dividiert durch die mittlere Normalspannung in der Böschungsmitte, an den Böschungsenden und in der Nähe der vertikalen Wände. Beachten Sie, dass es sich bei jedem Datenpunkt um den Durchschnittswert innerhalb der wie gezeigt angeordneten Messkreise handelt.

Die Kraftumverteilung beginnt, nachdem die löslichen Partikel zu kontrahieren beginnen; Kräfte, die ursprünglich von löslichen Körnern ausgeübt werden, werden während der Auflösung auf benachbarte Körner übertragen (siehe Video – Ergänzende Daten). Die vorherrschenden Kraftketten zwischen den Partikeln bilden Bögen um sich bildende Hohlräume in einem wabenartigen Gewebe (Abb. 6). Das wabenförmige Netzwerk von Kraftketten war in Sedimenten mit stärker körniger Verzahnung, das heißt in Packungen mit einem höheren Anteil an rotationsgehinderten Partikeln, HR, stärker ausgeprägt (Abb. 6). Die Koordinationszahl nahm in allen Fällen ab: von einem Anfangswert von 3,62 (alle Fälle) auf 2,38 (keine behinderte Rotation), 2,28 (HR = 40 %) und 2,09 (HR = 80 %) am Ende der Auflösung. Der Spannungszustand wurde nach der Auflösung stabiler, insbesondere im Mittelhang.

Kontaktkraftketten am Ende der Auflösung – Alle Fälle werden auf der gleichen Kraftskala dargestellt. Hinweis: Vergleichen Sie diese Ergebnisse mit denen in Abb. 5.

Die endgültige Gesamtporosität erhöhte sich in allen Fällen: von einem Anfangswert von no = 0,155 (dicht; alle Fälle) auf n = 0,205 (keine behinderte Rotation), n = 0,216 (HR = 40 %) und n = 0,243 (HR =). 80 % am Ende der Auflösung, ähnlich den experimentellen Ergebnissen. Ergänzende Ergebnisse der Entwicklung der Porosität und anderer Parameter während der Auflösung für dreidimensionale Simulationen und Experimente finden sich in Cha und Santamarina73 und Cha und Santamarina47.

Eine sorgfältige Betrachtung der Bilder in Abb. 6 zeigt große verbleibende Hohlräume, die sich nach der Auflösung neben den Hauptkontaktkraftketten befinden. Dies impliziert, dass sich um die sich auflösenden Partikel Kraftbögen entwickelten. Eine 2D-Kreuzkorrelationsanalyse zwischen dem Bild großer Hohlräume (Abb. 7a; Hinweis: Körner wachsen ΔR/R≈50 % ohne Verschiebung, um alle kleinen Hohlräume zu schließen) und einem Bild von Kontaktkraftketten (Abb. 7b) bestätigt dies Die meisten großen Hohlräume wurden einen Partikeldurchmesser von den Hauptkraftketten entfernt gefunden (und typischerweise darunter; siehe Abb. 7c).

Kausaler Zusammenhang zwischen (a) großen Resthohlräumen und (b) Kraftketten; (c) Die 2D-Kreuzkorrelation zeigt, dass große Hohlräume innerhalb eines Korndurchmessers von Hauptkraftketten verbleiben.

Dieses ausgeprägte innere Gefüge nach der Auflösung erwartet eine andere Reaktion des Sediments bei weiterer Belastung, z. B. eine stärkere Neigung zum Knicken unter Scherstörung. Insbesondere die inhärente Scherbelastung in einem abschüssigen Boden kann eine statische Verflüssigung auslösen, da in Böden, die eine Auflösung erfahren haben, eine hohe Kontraktionstendenz besteht47. Dies könnte die in Abb. 2b dargestellte flache Rutsche erklären.

In Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen (Abb. 2a) war die vertikale Setzung das vorherrschende globale Verformungsmuster (Abb. S2 in den Zusatzdaten). Bei Sedimenten mit höheren löslichen Anteilen und geringeren Verzahnungs- oder makroskopischen Reibungswinkeln kam es zu größeren Sedimentationsmengen. Auch hier nahmen die vertikalen Setzungen aufgrund der zufälligen Verteilung der löslichen Körner quasilinear zur Oberfläche hin zu. Die dritte Spalte in Tabelle 2 zeigt vertikale Dehnungen, die durch Oberflächensetzungen in der Nähe der vertikalen Wände (dh vom Hang entfernt) bestimmt werden. Alle vertikalen Dehnungen liegen deutlich unter 0,25, was mit einer erhöhten Porosität übereinstimmt. Eine stärkere körnige Verzahnung reduziert die vertikale Belastung. Darüber hinaus nehmen die vertikalen Belastungen mit der anfänglichen Höhe geringfügig zu, da das Eigengewicht mit zunehmender Tiefe zunimmt (Tabelle 2).

Der abschüssige Boden führt auch bei vollständig quasistatischer Auflösung zu erheblicher Massenverschwendung. Während sich die zufällig verteilten löslichen Partikel auflösen und die umgebenden Partikel neu angeordnet werden, werden alle Partikel vertikal und horizontal mobilisiert (siehe Video – Ergänzende Daten). Ihre Mobilisierungen sind während der Auflösung so gekoppelt, dass bei vertikaler Verschiebung der Partikel gleichzeitig horizontale Bewegungen im geneigten Boden auftreten, der im Verhältnis zu den mittleren Normalspannungen große maximale Scherspannungen aufweist (Abb. 5).

Abbildung 8 zeigt die horizontalen Komponenten, die aus den endgültigen Verschiebungsvektoren extrahiert wurden. Die horizontalen Verschiebungen waren auf der Hangoberfläche am größten und nahmen von der Hangoberfläche weg ohne einen scharfen Übergang, d. h. ohne Scherlokalisation, ab. Die horizontalen Verschiebungen nehmen zum ebenen Boden hin allmählich ab. Abbildung 9 quantifiziert die horizontalen Kornverschiebungen im Vergleich zum anfänglichen Abstand senkrecht zur Hangoberfläche in der Hangmitte. In allen Fällen ist die horizontale Kornverschiebung an der Oberfläche am größten, nimmt quasi-linear mit der Entfernung von der Hangoberfläche ab und wird an den unteren Grenzen Null, ähnlich der vertikalen Kornverschiebung entlang der Tiefe. Es ähnelt einer einfachen Scherströmung, obwohl ihre Bewegungen quasistatisch sind.

Horizontale Komponente der Verschiebungsvektoren am Ende der Auflösung – Alle Fälle werden im gleichen Verschiebungsvektormaßstab dargestellt.

Die horizontalen Granulatverschiebungen im Vergleich zum anfänglichen Abstand senkrecht zur Hangoberfläche in der Hangmitte. Der grüne Streifen (4 mm breit) zeigt die Auswahl der ausgewählten Körner an.

Die körnige Verzahnung reduziert die horizontale Verschiebung und der größere anfängliche Neigungswinkel fördert eine größere Massenverschwendung (Abb. 8 und 9). Offensichtlich nehmen die horizontalen Verschiebungen mit den Neigungswinkeln zu und nehmen mit der körnigen Verzahnung empfindlicher ab als die vertikalen Verschiebungen (Tabelle 2 und Abb. 10). Darüber hinaus erhöht die körnige Auflösung in geneigten Böden die vertikale Belastung stärker als die Auflösung auf ebenem Boden (Tabelle 2: Vergleichen Sie die dritte und vierte Spalte). Da sich die Körner horizontal verschieben, kann die Hanggeometrie zu einer zusätzlichen Abwärtsbewegung führen.

Vertikale und horizontale granulare Verschiebungen am oberen Rand der Auswahl (siehe Abb. 9), normalisiert durch die anfänglichen Höhen von der Basis. Numerische Daten aus Tabelle 2 (4. und 5. Spalte).

Histogramme der horizontalen Verschiebungen nach der Auflösung zeigen deutlich, dass der Großteil des Mediums eine mittlere horizontale Verschiebung nahe Null aufwies (Abb. 11). Die grünen Linien zeigen Histogramme für die ca. 2000 Partikel (19 % der Gesamtzahl der Partikel) im ebenen Boden, am nächsten an der starren Wand rechts. In dieser Zone sind die horizontalen Verschiebungen der Partikel gering und liegen innerhalb von ± 2 mm ohne Vorzugsrichtung. Das Histogramm ist nahezu symmetrisch um die Nullverschiebung (Abb. 11). Wenn jedoch alle Partikel aufgetragen sind, werden erhebliche Teile horizontal nach außen verschoben (positive Richtung) (Abb. 11), was die Kornmasse unter der Hangoberfläche darstellt. Steilere Hänge in Sedimenten mit geringerer körniger Verzahnung oder geringerem makroskopischem Reibungswinkel zeigten nach der Auflösung höhere horizontale Verschiebungen, was mit früheren Ergebnissen übereinstimmt (Abb. 8, 9 und 10).

Histogramm der horizontalen Verschiebungen aller nicht auflösbaren Partikel am Ende der Auflösung. Grüne Linien zeigen Histogramme für die ca. 2000 Partikel, die rechts der starren Wand am nächsten sind. Die Bin-Zählungen sind verbunden, um die Visualisierung zu erleichtern und zwischen HRs zu unterscheiden (Bin-Größe = 0,2 mm für alle Fälle).

Sicherlich stellen die Hanggeometrie und die lösliche Verteilung in dieser DEM-Studie einen Sonderfall dar: Eine junge Hangablagerung mit begrenzter Hangausdehnung, wie z. B. Energieabfälle oder Böschungen, die eine lösliche Fraktion enthält, liegt über einem unlöslichen Untergrund. Einige Feldsituationen zeigen, dass die Hangoberfläche und das untere Ende der Auflösungsfront parallel sein können und die betroffene Tiefe durch die Intensität und Dauer jedes Infiltrationsereignisses bestimmt wird. Das Eindringen von Regenwasser kann in einer jungen Hangablagerung zu sekundärer Porosität führen und die Zementierung in Hangsedimenten schwächen. Bei Massenschwundereignissen, die durch Gefrier-Tau-Wechsel verursacht werden, werden die Gefrier- und Tau-Tiefen durch den Temperaturunterschied bestimmt. Schichten können auch eine Auflösungstiefe oder -geometrie dominieren. Dennoch zeigt diese Studie, dass horizontale/vertikale Kornbewegungen proportional zur betroffenen Auflösungstiefe sind. Auch die Auswirkungen wichtiger Parameter werden aus dieser Studie und früheren Studien qualitativ erkannt. Während weitere, gezielte Studien erforderlich sind, um jeden Effekt genau zu bestimmen, damit er für die Vorhersage des Verhaltens nützlich ist, gibt die folgende Beziehung einen Überblick über die kombinierten Effekte bei fehlender Scherlokalisierung:

wobei jede Funktion positiv mit dem Parameter in den Klammern korreliert. θ ist der Neigungswinkel, SF der Anteil zufällig verteilter löslicher Partikel, ϕ der makroskopische Reibungswinkel, L die Abmessung einer Neigung, entweder die Höhe oder die Länge, und D (%) das Fortschreiten der Auflösung, das zwischen 0 und ~ liegen kann 80 %, danach beginnt sich die Bewegung zu stabilisieren.

Der anfängliche Neigungswinkel β0 wurde mit fortschreitender Auflösung flacher und die endgültige Neigung war in allen Fällen βfinal < β0 (Abb. 12). In Abwesenheit eines undrainierten Versagens hatten seitliche Verschiebungen während der Auflösung einen geringen Einfluss auf den Böschungswinkel; Tatsächlich wurde eine gute Annäherung an den endgültigen Neigungswinkel trigonometrisch aus der Verkürzung ΔH der anfänglichen Landhöhe Ho berechnet:

Offensichtlich hat die Nähe des anfänglichen Neigungswinkels β0 zum numerisch gemessenen Böschungswinkel βrepose einen sekundären Effekt; Allerdings verringert die körnige Verzahnung die vertikale Verkürzung (d. h. kleineres ΔH/Ho) und behält nach der Auflösung steilere Steigungen bei als weniger verzahnte Proben, wie durch die obige Gleichung vorhergesagt. Der lösliche Anteil, SF, ist eine Obergrenze für die vertikale Verkürzung, ΔH/Ho < SF – tatsächlich gilt ΔH/Ho = SF, wenn die Auflösung bei einer konstanten Porosität stattfindet (gepunktete Linie in Abb. 12); andernfalls nimmt die Porosität während der Auflösung zu, wie in dieser Studie beobachtet.

Vergleich des anfänglichen Neigungswinkels βo und des endgültigen Neigungswinkels nach der Auflösung, βfinal, für alle Fälle (SF = 25 %). Die gestrichelte Linie ist eine Schätzung der Obergrenze ΔH/Ho = SF, wenn die Auflösung bei konstanter Porosität stattfindet.

Die begrenzte Böschungslänge in dieser DEM-Studie führt, wie es häufig bei Böschungen und künstlichen Aufschüttungen der Fall ist, zu einer ungleichmäßigen Böschungsbewegung. Aufgrund des sich nicht auflösenden Grundmaterials und seiner Reibung mit den Körnern der geneigten Ablagerung ist die horizontale Granulatverschiebung in der Nähe der Basis stärker eingeschränkt als in der Hangmitte. Auch die horizontale Verschiebung nimmt zum ebenen Boden hin allmählich ab. Ungleichmäßige horizontale Bewegungen führen daher zu leicht gekrümmten Oberflächen (stärker ausgeprägt bei steilen Hängen, z. B. Abb. 6f und 8f).

Mineralauflösung und -ausfällung sind gleichzeitige Bodenprozesse und können in relativ kurzen Zeitskalen in advektiven Regimen stattfinden und wenn Mineralien weit vom Gleichgewicht entfernt freigelegt werden, was in jungen natürlichen und technischen Systemen häufig vorkommt. Wir untersuchten die Auswirkung der Kornauflösung auf die Hangstabilität mithilfe eines 1-g-Modellexperiments, ergänzt durch Simulationen diskreter Elemente.

Bei der Auflösung bilden sich tragende Kornbögen um die sich auflösenden Partikel. Nach der Auflösung zeichnet sich das hochporöse Gewebe durch eine wabenförmige Kontaktkraftkettentopologie aus. Die Kreuzkorrelationsanalyse bestätigt, dass nach der Auflösung große Hohlräume neben großen Kontaktkraftketten verbleiben. Der abschüssige Boden weist hohe Anfangswerte der maximalen Scherspannung im Verhältnis zur mittleren Normalspannung auf. Nach der Auflösung wurde der Spannungszustand stabiler.

Die Auflösung führt zu erheblichen Hangbewegungen. Während die globale vertikale Setzung das vorherrschende Deformationsmuster ist, verschieben sich die Körner im geneigten Boden horizontal, was zu einer erheblichen Massenverschwendung führt, obwohl die Auflösung quasistatisch erfolgt. Horizontale Granulatbewegungen sind an der Böschungsoberfläche maximal und nehmen linear von der Böschungsoberfläche weg, die durch die nicht auflösende Basis begrenzt wird, ab, ähnlich wie bei der vertikalen Granulatverschiebung entlang der Tiefe. Sedimente mit einem geringeren globalen Reibungswinkel oder einem steileren Gefälle erfahren größere Verschiebungen, sowohl vertikal als auch horizontal.

Die Hänge werden nach der Auflösung flacher; Die Verringerung der Neigungswinkel steht in direktem Zusammenhang mit dem Verlust der Bodenhöhe, ΔH/Ho. Dennoch ist der Neigungswinkel in allen Fällen aufgrund erhöhter Porositäten höher als die Schätzung aus der Obergrenze für die vertikale Verkürzung, ΔH/Ho≈SF.

In den numerischen Simulationen wurde während der Auflösung unter entwässerten oder trockenen Bedingungen keine Scherlokalisation oder ein katastrophales Versagen beobachtet. Es kann jedoch zu plötzlichen undrainierten Scherkräften kommen, die zu oberflächlichen Ausfällen führen. Die Abfolge der Ereignisse umfasst: (1) Auflösung und Zunahme der Porosität, (2) innere Spannung, die sich dem Versagen nähert, (3) Zusammenbruch des Kornskeletts, (4) Aufbau von Porendruck und (5) auftretende Scherung als eine Form der statischen Verflüssigung.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde von der KAUST-Stiftung und dem Savannah River Operations Office des US-Energieministeriums unterstützt. Diese Forschung wurde auch durch das Basic Science Research Program der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt, das vom Bildungsministerium finanziert wurde (2019R1A6A1A10072987). G. Abelskamp hat das Manuskript bearbeitet.

Abteilung für Bauingenieurwesen, College of Ocean Sciences, Jeju National University, Jeju-Si, Jeju Special Self-Governing Province, 63243, Republik Korea

Minsu Cha

Geowissenschaften und Ingenieurwesen, King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), Thuwal, 23955-6900, Saudi-Arabien

J. Carlos Santamarina

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JCS konzipierte und überwachte die Untersuchung. MC führte numerische und experimentelle Arbeiten durch. MC hat das Manuskript verfasst. JCS hat das Manuskript bearbeitet. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Minsu Cha.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 01. September 2022

Angenommen: 16. Dezember 2022

Veröffentlicht: 23. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26620-1

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