Relation between hydraulic conductivity and factor of safety of slope in colluvium soil

Abstract

Die Auswirkungen von Naturkatastrophen, insbesondere von Erdrutschen, können verheerend sein. Besonders betroffen ist Nepal, das durch die komplexe Topografie des Himalayas und extreme Umweltbedingungen geprägt ist. Erdrutsche werden häufig durch Starkregenereignisse während des Sommermonsuns ausgelöst und führen dabei zur Zerstörung ganzer Straßenabschnitte oder Siedlungen. Besonders gefährdet sind kolluviale Böden, da sie aufgrund ihrer heterogenen und lockeren Struktur ungünstige mechanische Eigenschaften aufweisen. Ein zentraler Parameter zur Beschreibung der Wasserbewegung in Böden ist die hydraulische Leitfähigkeit K. Sie bestimmt, wie schnell Wasser sich durch die Matrix des Bodens bewegen kann, was Veränderungen des Porenwasserdrucks, welcher einen entscheidenden Einfluss auf die Scherfestigkeit von Böden hat, hervorrufen kann. Im Rahmen dieser Arbeit soll der Einfluss der hydraulischen Leitfähigkeit auf den Sicherheitsfaktor von Hängen mit kolluvialen Böden untersucht werden. Hierfür wurden zu vier Hängen entlang des Prithvi Highways numerische Modelle in der geotechnischen Software GeoStudio erstellt, wobei als hydraulische Randbedingung ein zehnjähriger Bemessungsniederschlag angesetzt wurde. Pro Hang wurden zwei Modellierungsdurchläufe durchgeführt, welche sich in der Berechnungsmethode der ungesättigten Scherfestigkeit des Bodens unterscheiden. In drei verschiedenen Szenarien mit unterschiedlichen hydraulischen Leitfähigkeiten konnte festgestellt werden, dass die Hänge mit hohen K-Werten eine deutliche Reduktion des Sicherheitsfaktors von bis zu 22.94% aufweisen. Im Gegensatz dazu waren in Szenarien mit niedrigen K-Werten meist keine signifikanten Veränderungen des Sicherheitsfaktors erkennbar. Die Ergebnisse dieser Untersuchung verdeutlichen, dass Hänge mit hohen hydraulischen Leitfähigkeiten besonders anfällig für Starkregenereignisse sind. Daher sind in betroffenen Regionen detaillierte geotechnische Untersuchungen unerlässlich.The consequences of natural disasters such as landslides can be devastating. One country that is particularly affected by landslides is Nepal, which is characterised by the complex topography of the Himalayas and its extreme environmental conditions. Landslides are often triggered by heavy rainfall events during the summer monsoon, destroying entire stretches of roads or settlements. Especially colluvium soils are vulnerable, as they are characterised by unfavourable properties such as a very heterogeneous and loose structure. One of the most important parameters for describing water movement in soils is the hydraulic conductivity K. It determines how quickly water can move through the soil matrix and can therefore cause changes in the pore water pressure, which has a decisive influence on the shear strength of soils. The aim of this thesis is to investigate the influence of the hydraulic conductivity on the factor of safety of slopes in colluvium soils. Four colluvium slopes along the Prithvi Highway were investigated and modelled in the geotechnical software GeoStudio, using a ten-year design rainfall event as the hydraulic boundary condition. Two modelling runs were carried out for each slope, which differentiate in the calculation method of the unsaturated shear strength of the soil. Three different scenarios based on different hydraulic conductivities showed that the slopes with high K values in most cases experienced a significant reduction of the factor of safety of up to 22.94%, while in the scenarios with low K values no significant change was noticeable. The results of this work reveal that colluvium slopes with high hydraulic conductivities are particularly susceptible to heavy rainfall events. Therefore, detailed investigations are strongly recommended in affected regions.submitted by David Maximilian AltenbachMasterarbeit BOKU University 2024Mit deutscher Zusammenfassun