Engineering modelling of the progressive retreat of cliffs

Abstract

In this thesis, the morphologic evolution of uniform c, φ slopes subject to successive failures is investigated. The research is conducted in two parts; the analytical part (employing the limit analysis upper bound method) and the experimental (by small scale model tests). An experimental prototype model to study the influence of water infiltration on the morphologic evolution of natural cliffs subject to progressive retreat is presented. A set of small scale laboratory tests is designed to investigate successive failures. The failure is reached by applying rainfall onthe slope through a rainfall simulator device. The moisture content and the suction of the soil during the tests are monitored by soil moisture sensors and tensiometers that are buried inside the slope model. High resolution cameras record the behaviour of the slope model and GeoPIV is used to analyse the frames and obtain the deformations of the slope model during the tests. After a short time of rainfall, vertical cracks appear in the slope model with significant vertical deformations developing. Experimental results indicate that there is a strong connection between moisture content and the occurrence of a landslide. A prediction model of slope failures can be introduced based on the observed moisture content response of the slope models.For the analytical part a semi analytical model on the evolution of intact and slopes with fissures is illustrated. A general analytical solution for theassessment of the stability of homogeneous slopes obeying the linear Mohr-Coulomb criterion accounting for strength degradation, seismic action,formation of tension cracks and seepage is presented and a parametric analysis is run to assess the effect of each factor on cliff evolution. The socalled pseudo-static approach and the pore pressure coefficient ru are employed. Results for a range of internal shearing resistance angle (φ) values of engineering interest are presented in the form of dimensionless ready to use stability charts.

Στην παρούσα διπλωματική, διερευνάται η μορφολογική εξέλιξη ομοιόμορφων (c, φ) πρανών που υπόκεινται σε διαδοχικές αστοχίες. Η έρευνα διεξάγεται σε δύο μέρη: το αναλυτικό μέρος (με χρήση της μεθόδου οριακής ανάλυσης άνω ορίου) και το πειραματικό (με δοκιμές σε μοντέλα προσομοίωσης μικρής κλίμακας). Παρουσιάζεται ένα πειραματικό πρωτότυπο μοντέλο για τη μελέτη της επίδρασης της διείσδυσης νερού στη μορφολογική εξέλιξη των φυσικών πρανών που υπόκεινται σε διαδοχικές αστοχίες. Σχεδιάστηκε μια αλληλουχία εργαστηριακών δοκιμών μικρής κλίμακας για την προσομοίωση και διερεύνηση των διαδοχικών αστοχιών στο εργαστήριο. Οι αστοχίες επιτυγχάνονται μέσω μιας συσκευής που κατασκευάστηκε για να προσοιμοιάζει βροχόπτωση. Η υγρασία και η μύζηση του εδάφους κατά τη διάρκεια των δοκιμών παρακολουθόυνται από ειδικούς αισθητήρες που έχουν τοποθετηθει μέσα στο πρανές κατά την κατασκευή του μοντέλου. Επίσης, έχουν τοποθετηθεί κάμερες υψηλής ανάλυσης που καταγράφουν τη συμπεριφορά του μοντέλου του πρανούς και χρησιμοποιείται GeoPIV για την ανάλυση των φωτογραφιών ώστε να μετρηθούν οι μετακινήσεις και παραμορφώσεις κατά τη διάρκεια κάθε δοκιμής. Κατά τη δοκιμή και μετά από σύντομο χρονικό διάστημα βροχόπτωσης, εμφανίζονται κατακόρυφες ρωγμές στο μοντέλο, οι οποίες οδηγούν σε σημαντικές κατακόρυφες παραμορφώσεις μέχρι την πλήρη αστοχία. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι υπάρχει ισχυρή σύνδεση μεταξύ της περιεκτικότητας σε υγρασία και της εμφάνισης κατολίσθησης. Αναπτύσσεται ένα μοντέλο πρόβλεψης αστοχιών σε πρανή με βάση την παρατηρούμενη απόκριση των μοντέλων σε σχέση με την υγρασία του εδάφους. Στο αναλυτικό μέρος, παρουσιάζεται ένα ημιαναλυτικό μοντέλο για την εξέλιξη της μορφολογίας των πρανών με ή χωρίς ρωγμές. Αναπτύσσεται μια γενική αναλυτική λύση για το αξιολόγηση της ευστάθειας ομοιογενών πρανών που υπακούουν στο κριτήριο Mohr-Coulomb. Πραγματοποιείται παραμετρική ανάλυση για την αξιολόγηση της επίδρασης της μείωσης της αντοχής του εδαφικού υλικού με το χρόνο, της σεισμική δράση, του σχηματισμού ρωγμών και της ύπαρξης νερού στην εξέλιξη του πρανούς. Για την επίδραση του σεισμικού φορτιόυ γίνεται χρήση ψευδοστατικής προσέγγισης και για την επίδραση του νερού, ο συντελεστής πίεσης πόρων ru. Τέλος, παρουσιάζονται διαγράμματα ευστάθειας για τον υπολογισμό και πρόβλεψη αστοχιών σε πρανή για ένα εύρος τιμών γωνίας διατμητικής αντοχής (φ) μηχανικού ενδιαφέροντος.