Διερεύνηση της υπολογιστικής προσέγγισης των εδαφικών κατολισθήσεων

Abstract

The analytical approach of Landslides in soils, is usually achieved through either, the application of phenomenological methods, or limit equilibrium methods, or the even more sophisticated finite elements method. The analysis of landslides can be affected by numerous parameters, some of which are usually neglected, reducing the quality of the results. We investigated how these variables affect the analysis; in particular, we examined, the relationship between values of the safety factor and the movement velocity and changes in geometry of the landslide, the soil creep, the shear strength of partly saturated soils, the appropriate application of the finite elements method through the selection of soil models that are able to simulate both the behavior of specific materials and the overall failure mechanism, the effect of the three dimensional geometry on the estimation of the stability and the use of appropriate methods to forecast the remaining time to failure. The aim of this thesis was to produce useful methods and guidelines for a successful analytical approach of landslides in soils, taking into account the aforementioned subjects. The main results and the original contribution of this thesis, is summarized in the following points: 1. The calculation and design of the critical failure surfaces, for various slopes, consisting of homogenous soil and various values of the λcφ parameter, 2. The calculation of the effect of geometry changes on the safety factor, during the evolution of a landslide for various slopes and values of the λcφ parameter, 3. The development of soil creep theory in landslides, introducing stress paths technique, 4. The correlation of the variation of safety factor with the displacement velocity and the calculation of the increase of the safety factor needed to stop the motion, with the application of a modified version of the Gudehus (Gudehus & Schwarz 1985) approach in actual cases, 5. A new approach that improves the introduction of soil suction in slope stability analyses with limit equilibrium methods, relating the φb angle to the degree of saturation and suction, and discretizing the unsaturated zone in layers of constant φb values, 6. The investigation of the relationship between the safety factor and the maximum displacement in excavated slopes, using the finite elements method (HSM – Plaxis 8.2), for a specific distribution of E50, Eoed and Eur with depth, 7. The Investigation of the failure mechanism in two actual landslides, using the finite elements method (Phase2 – Rocscience), simulating the weak soil zones inside the intact rock mass, based on inclinometer readings, providing with the opportunity for more precise calculation of the remedial measures, 8. The correlation of the F3D/F2D ratio to the B/L ratio for various slopes and values of the λcφ parameter, in homogenous slopes with ellipsoidal failure surfaces, symmetrical by the axial plane in the direction of movement and 9. The development and application of a new approach of forecasting the time to failure in landslides, based on the displacements – time curve.

Η υπολογιστική προσέγγιση των εδαφικών κατολισθήσεων, συνήθως επιτυγχάνεται με τη χρήση είτε φαινομενολογικών μεθόδων, είτε μεθόδων οριακής ισορροπίας, είτε της πιο εκλεπτυσμένης μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων. Η ανάλυση των κατολισθητικών φαινομένων, επηρεάζεται από διάφορες παραμέτρους, ορισμένες εκ των οποίων συχνά αγνοούνται, ώστε τα αποτελέσματα που λαμβάνονται να μην είναι τα βέλτιστα. Σε αυτή την κατεύθυνση, μελετήθηκαν σε σχέση με την επιρροή τους στην αναλυτική προσέγγιση των εδαφικών κατολισθήσεων, η μεταβολή των τιμών του συντελεστή ασφάλειας σε σχέση με το ρυθμό μετακίνησης και τη μεταβολή της γεωμετρίας, ο ερπυσμός των εδαφών, η διατμητική αντοχή των ακόρεστων εδαφών, η κατάλληλη εφαρμογή της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων, με τη χρήση εδαφικών μοντέλων, ικανών να προσομοιώσουν τόσο τη συμπεριφορά των γεωυλικών όσο και το συνολικό μηχανισμό αστοχίας, η επιρροή της τρισδιάστατης γεωμετρίας στην εκτίμηση της ευστάθειας και η εφαρμογή κατάλληλων μεθόδων χρονικής εκτίμησης της αστοχίας. Στόχος της διατριβής ήταν, μέσω της διερεύνησης των παραπάνω αντικειμένων και της εφαρμογής τους σε περιπτώσεις πραγματικών κατολισθήσεων, να προκύψουν χρήσιμες προτάσεις και παρατηρήσεις με σκοπό τη βελτιστοποίηση της υπολογιστικής προσέγγισης των εδαφικών κατολισθήσεων. Τα κυριότερα αποτελέσματα και τα πιο σημαντικά πρωτότυπα σημεία της διατριβής συνοψίζονται στα εξής: 1. Σχεδίαση της μορφής των κρίσιμων επιφανειών ολίσθησης για ομοιογενή πρανή διαφορετικών κλίσεων και διαφορετικής τιμής της παραμέτρου λcφ, 2. Υπολογισμός της επιρροής της μεταβολής της γεωμετρίας κατά την εξέλιξη μίας κατολίσθησης, στην αύξηση του συντελεστή ασφαλείας, για ομοιογενή πρανή διαφορετικών κλίσεων και διαφορετικής τιμής της παραμέτρου λcφ, 3. Ανάπτυξη της θεωρίας του ερπυσμού στις κατολισθήσεις με τη χρήση της τεχνικής των διαδρομών τάσης, 4. Συσχέτιση της μεταβολής του συντελεστή ασφαλείας με το ρυθμό μετακινήσεων και υπολογισμός της απαιτούμενης αύξησης του που οδηγεί στο “σταμάτημα” της κίνησης, με τον μετασχηματισμό και εφαρμογή της πρότασης Gudehus (Gudehus & Schwarz 1985) σε περιπτώσεις πραγματικών κατολισθήσεων, 5. Πρόταση για την βελτιστοποίηση της εισαγωγής της ακόρεστης διατμητικής αντοχής στις αναλύσεις ευστάθειας με μεθόδους οριακής ισορροπίας, μέσω της συσχέτισης της γωνίας φb με το βαθμό κορεσμού και τη μύζηση και τη διακριτοποίηση της ακόρεστης ζώνης σε τμήματα σταθερής τιμής της φb, 6. Διερεύνηση με τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (μοντέλο HSM, λογισμικό Plaxis 8.2), της σχέσης του συντελεστή ασφάλειας και της μέγιστης μετακίνησης, σε ομοιογενή πρανή ορυγμάτων, για δεδομένη κατανομή των μέτρων συμπιεστότητας με το βάθος, 7. Αναπαραγωγή του μηχανισμού αστοχίας σε δύο πραγματικές κατολισθήσεις με τη χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων (λογισμικό Phase2 – Rocscience), προσομοιώνοντας τις αδύναμες στρώσεις εντός του ομοιογενούς πετρώματος, με αποτέλεσμα την εκτίμηση οριζόντιων μετακινήσεων στις θέσεις των κλισιόμετρων, αντίστοιχων με τις μετρηθείσες, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα ακριβούς διαστασιολόγησης των μέτρων αποκατάστασης, 8. Συσχέτιση του λόγου F3D/F2D με το λόγο B/L για διαφορετικές κλίσεις πρανών και τιμές της παραμέτρου λcφ, σε πρανή αποτελούμενα από ομοιογενή υλικά, με ελλειψοειδείς επιφάνειες ολίσθησης, συμμετρικές ως προς άξονα παράλληλο στη διεύθυνση της κίνησης, 9. Ανάπτυξη και εφαρμογή μίας νέας πρότασης, η οποία εκτιμά με ικανοποιητική ακρίβεια το χρόνο που απομένει ως την εκδήλωση αστοχίας στις κατολισθήσεις, βασιζόμενη στα πρωτογενή μετρητικά δεδομένα της εξέλιξης των μετακινήσεων με το χρόνο.