Strength Theory Model of Unsaturated Soils with Suction Stress Concept

A theoretical model is developed for describing the strength property of unsaturated soils. The model is able to predict conveniently the strength changes of unsaturated soils undergoing repeated changes of water content. Suction stress is adopted in the new model in order to get the sound form of effective stress for unsaturated soils. The shear strength of unsaturated soils is dependent on its soil-moisture state based on the results of shear experiments. Hence, the parameters of this model are related tightly to hydraulic properties of unsaturated soils and the strength parameters of saturated soils. The predictive curves by the new model are coincident with experimental data that underwent single drying and drying/wetting cycle paths. Hence, hysteretic effect in the strength analysis is necessary to be considered to predict the change of shear strength of unsaturated soils that underwent drying/wetting cycles. Once the new model is used to predict the change of shear strength, lots of time could be saved due to avoiding heavy and complicated strength tests of unsaturated soils. Especially, the model can be suitable to evaluate the shear strength change of unsaturated soils and the stability of slopes experienced the drying/wetting cycles

Évaluation de la résistance au cisaillement des sols granulaires non-saturés

En géotechnique, il est généralement admis que les matériaux granulaires tels que les sables ou les billes de verre ne manifestent aucune augmentation ou une augmentation négligeable de la résistance au cisaillement due à la succion matricielle. Cependant, les preuves expérimentales récentes ont montré que les forces inter-particulaires résultant de la force capillaire et d'autres mécanismes à l'échelle locale augmentent la résistance au cisaillement non saturé. Le comportement général de ces forces et leur rôle sur les contraintes macroscopiques, la résistance et le comportement de déformation des sols restent largement incertains. L'objectif principal de cette recherche était d'examiner expérimentalement les effets des forces inter-particulaires induites par la succion sur la résistance au cisaillement macroscopique des billes de verre non saturées. Cet objectif a été atteint en réalisant une série d'essais de cisaillement direct sous contrôle de la teneur en eau pour trois gradations de billes de verre préparées selon un indice des vides constant en utilisant l'essai de cisaillement direct conventionnel. Les résultats de cisaillement ainsi que la courbe de rétention d'eau des billes de verre obtenues à l'aide de techniques de colonne d'eau négative ont été utilisés pour étudier l'effet de la succion matricielle sur la rigidité et les caractéristiques de résistance au cisaillement à l'intérieur du cadre de contrainte efficace modifié. De plus, les résultats expérimentaux ont été comparés aux résultats de l'analyse par éléments finis effectuée par le logiciel PLAXIS afin d'évaluer l'efficacité de l'hypothèse de travail qui se trouve sous les algorithmes d'éléments finis du logiciel. Les principales conclusions tirées de cette recherche sont les suivantes : (1) le modèle caractéristique de contraintes de succion en utilisant une contrainte effective basée sur la contrainte de succion et une contrainte effective généralisée de Bishop peut estimer suffisamment la résistance au cisaillement des billes de verre non saturées lorsque les échantillons se trouvent dans l'état transitoire et résiduel de rétention hydraulique. (2) la succion matricielle affecte à la fois les caractéristiques de rigidité et de résistance au cisaillement des matériaux granulaires non saturés telles que les billes de verre, ce qui indique l'importance de mettre en œuvre des modèles appropriés de matériaux liés à la succion dans l'analyse numérique et théorique. De plus, l'analyse par éléments finis a montré la sensibilité des paramètres actuels des modèles de matériaux intégrés dans PLAXIS. Il a été observé que selon les modèles de matériaux choisis, la présence de la succion matricielle peut influencer les modules élastiques, les angles de dilatation et de frottement

Confiabilidad de taludes de suelo no saturado expuestos a precipitaciones pluviales

El procedimiento es probabilístico y es útil para valorar la falla de taludes críticos sujetos a lluvias intensas. Se incluyen incertidumbres en propiedades del suelo y las características de las lluvias. Los patrones de presiones de poro y resistencia al corte de los suelos son cruciales para poder comparar este nivel de seguridad con el límite aceptable para decidir si las condiciones de estabilidad del talud son aceptables y para generar recomendaciones de mitigación, en su caso.Se propone un procedimiento para evaluar la probabilidad de falla de taludes críticos sujetos a lluvias intensas. El procedimiento incluye incertidumbres en propiedades del suelo y las características de las lluvias. El patrón de presiones de poro y resistencia al corte de los suelos es fundamental en la evaluación del nivel de seguridad de la trayectoria crítica de falla. Se incluye la comparación con el nivel aceptable de probabilidad de falla para decidir si las condiciones de seguridad del talud y generar recomendaciones de mitigación, en su caso

Rad ne sadrži naslov na drugom jeziku.

Factors primary controlling rainfall-induced slope failures are both rainfall characteristics and soil properties. Rainfall causes a transient infiltration process through the unsaturated part of the slope which affects sloping material by increasing the moisture content and pore-water pressure, changing the effective stress and hydro-mechanical properties of the soil. To study the physical process of rainfall infiltration and how it affects the slope stability state, the dependency between water retention properties, hydraulic permeability, shear strength properties and the water content or negative pore-water pressures existing above the phreatic surface have to be known. Unlike for the shallow-type landslides, very few studies were performed for the case of deep-seated landslides built of material with relatively low hydraulic conductivity. This kind of studies were never performed for landslides occurring in flysch deposits. This study presents the results of different field investigations, laboratory tests, and numerical activities that were performed to build up a numerical model capable to determine the influence of rainfall infiltration process on slope stability state through time. Undisturbed samples of the residual soil from a flysch rock mass were used to perform different laboratory tests in saturated and unsaturated conditions, aimed to provide an advanced hydro-mechanical characterization of the soil behavior under negative pore-water pressure. For the first time, the water retention curves, hydraulic conductivity functions, and unsaturated shear strength characteristics of the investigated soil were determined. Simulation results showed that rainfall duration, instead of intensity, is the crucial factor causing the landslide instability. Results suggest that only about 8 mm of rainfall can infiltrate into the slope during a day. The shear strength component associated with the negative pore-water pressure was found to have a negligible influence on the slope stability at the time of failure since positive pore-water pressure exists along the entire sliding surface. However, it is the unsaturated zone with specific hydraulic features that delay the landslide triggering event. Reduced hydraulic permeability and retention capacity of the soil between the phreatic line and slope surface are factors that postpone build-up of positive pore-water pressure along the sliding surface and enable the slope to remain stable during a long-lasting heavy precipitation.Klizišta uzrokovana oborinama učestalo se događaju diljem svijeta u različitim klimatskim, geološkim i topografskim uvjetima. Rastući broj studija provedenih unazad dva desetljeća ukazuje kako promjene značajki oborina, vezano uz moguće globalne klimatske promjene, mogu dodatno povećati učestalost nastanka klizišta. Uz značajke oborina, karakteristike tla drugi su faktor od krucijalne važnosti za nastanak klizišta uzrokovanih oborinama. Ovisno o odnosu intenziteta kiše i hidrauličkih značajki materijala koji sačinjavaju površinski dio padine, infiltracija oborine u kosinu tijekom vremena odvija se kao nestacionarni proces pri kojem dolazio do promjene vlažnost tla i preraspodjele pornih pritisaka unutar nesaturirane zone geotehničkog presjeka. Pritom najvažniji utjecaj na količinu i brzinu infiltracije, promjenu efektivnih naprezanja i mogući pad čvrstoće materijala imaju hidrauličke i mehaničke značajke tla. Kako bi se riješila jednadžba koja opisuje tečenja vode kroz nesaturirano tlo u vremenu i kvantificirao utjecaj oborine na stanje stabilnosti kosine, potrebno je poznavati funkcije značajki tla u nesaturiranim uvjetima: retencijsku krivulju, funkciju hidrauličke propusnosti te odnos između značajki čvrstoće i vlažnosti tla ili negativnih pornih pritisaka. Matrična sukcija je termin koji se u mehanici nesaturiranih tala najčešće koristi za negativni porni pritisak. Za razliku od plitkih klizišta u materijalima veće propusnosti, studije u kojima se proučava utjecaj nestacionarnog procesa infiltracije oborina na stabilnost dubokih klizišta izgrađenih od materijala relativno niske propusnosti vrlo su rijetke. Prethodna istraživanja klizišta u naslagama fliša u dolini Rječine bavila su se prvenstveno porastom pozitivnih pornih pritisaka uslijed dugotrajnih oborina i utjecajem procesa trošenja flišne stijenske mase na fizičko-mehaničke značajke tla. Pritom je utjecaj dugotrajnih oborina uzet u obzir u analizama stabilnosti jednostavnim podizanje razine podzemne vode (vrlo često i do površine terena), čime se smanjuju efektivna naprezanja i reducira posmična čvrstoća materijala duž klizne plohe. Budući da u ovoj vrsti analiza vrijeme nije jedna od varijabli, distribuciju pornih pritisaka i stabilnost kosine nije moguće analizirati u vremenu. Također, pretpostavlja se da je materijal ispod razine podzemne vode potpuno saturiran, odnosno potpuno suh iznad te razine. Utjecaj matrične sukcije unutar nesaturirane zone geotehničkog presjeka se zanemaruje, kao i svi efekti na hidro-mehaničke značajke tla. Kako bi se, po prvi puta u slučaju istraživanog materijala i predmetnog područja, aplicirali principi nesaturirane mehanike tla na nastanak klizišta uzrokovanih oborinama, provedene su brojne terenske i laboratorijske aktivnosti. Dva osnovna razloga zbog kojih je klizište Valići odabrano kao pilot područje za provedbu istraživanja su prisutnost rezidualnog tla u površinsko dijelu padine za koje je primijećeno značajno isušivanje tijekom sušnih ljetnih mjeseci, te činjenica da su reaktivaciji klizišta u veljači 2014. godine prethodile višemjesečne intenzivne oborine. Neporemećeni uzorci tla uzeti s površinskog dijela klizišta korišteni su za određivanje hidro-mehaničkih značajki tla u nesaturiranim uvjetima. Različitim tehnikama mjerenja i korištenjem ukupno šest laboratorijskih uređaja, određene su retencijske krivulje za proces adsorpcije i desorpcije pri različitim vertikalnim naprezanjima. Metodom nelinearne regresije određeni su parametri najčešće korištenih jednadžbi za opis retencijskih funkcija. Mjerenja hidrauličke propusnosti u saturiranim i nesaturiranim uvjetima, u kombinaciji s retencijskim krivuljama omogućili su definiranje funkcije propusnosti tla u nesaturiranim uvjetima. Time je definirana zavisnost hidrauličke propusnosti materijala od matrične sukcije ili vlažnosti tla. Korištenjem modificiranih uređaja za direktno smicanje tla baziranih na principu translatiranih osi, određen je utjecaj matrične sukcije na značajke čvrstoće tla. Definirane funkcije značajki tla u nesaturiranim uvjetima i rezultati terenskih mjerenja iskorišteni su za definiranje dvodimenzionalnog numeričkog modela kojim je moguće simulirati nestacionarni proces infiltracije oborina u kosinu, te odrediti utjecaj ovog procesa na stanje stabilnosti kosine u vremenu. Kako se parcijalna diferencijalna jednadžba tečenja vode kroz nesaturirano tlo rješava u prostoru i vremenu, pri čemu nelinearnost jednadžbe proizlazi iz nelinearnog odnosa materijalnih značajki i matrične sukcije, rješavanje iste najčešće podrazumijeva iterativne postupke i upotrebu numeričkih metoda. Komercijalno dostupni program SEEP/W (GEO-SLOPE International, Ltd.) baziran na metodi konačnih elemenata korišten je za rješavanje problema infiltracije oborina u kosinu korištenjem realnih ili umjetno generiranih zapisa oborina. Distribucije pornih pritisaka izračunate za različite vremenske trenutke integrirane su u program koji implementira metodu analize granične ravnoteže SLOPE/W (GEO-SLOPE International, Ltd.) kako bi se za svaki od proračunatih profila raspodjele pornih pritisaka izračunao faktor sigurnosti kosine. Time je utvrđena vremenska promjena stanja stabilnosti kosine izgrađene u naslagama fliša, uzimanjem u obzir različitih inicijalnih i rubnih uvjeta. Rezultati analiza potvrdili su dugotrajnost oborina kao presudan faktor za nastanak nestabilnosti, dok ekstremne količine oborina u kraćem vremenskom periodu rezultiraju značajnim površinskim otjecanjem. Čak i kada su mjereni intenziteti u periodu od rujna do veljače 2014. godine reducirani za 50 posto, rezultati analiza ukazuju kako se na dan reaktivacije kosina nalazi u stanju marginalne stabilnosti. Iako komponenta posmične čvrstoće povezana s matričnom sukcijom u trenutku sloma nema utjecaja na stabilnost kosine, utvrđeno je kako upravo nesaturirana zona geotehničkog presjeka, sa svojim specifičnim hidrauličkim značajkama, odgađa gubitak stabilnosti kosine pri ekstremnim oborinama. U tom smislu, smanjena hidraulička propusnost i retencijski kapacitet nestaturirane zone s negativnim pornim pritiscima, faktori su koji usporavaju porast pornih pritisaka duž klizne plohe i osiguravaju stabilnost kosine tijekom dugotrajnih oborina

Rad ne sadrži naslov na drugom jeziku.

Factors primary controlling rainfall-induced slope failures are both rainfall characteristics and soil properties. Rainfall causes a transient infiltration process through the unsaturated part of the slope which affects sloping material by increasing the moisture content and pore-water pressure, changing the effective stress and hydro-mechanical properties of the soil. To study the physical process of rainfall infiltration and how it affects the slope stability state, the dependency between water retention properties, hydraulic permeability, shear strength properties and the water content or negative pore-water pressures existing above the phreatic surface have to be known. Unlike for the shallow-type landslides, very few studies were performed for the case of deep-seated landslides built of material with relatively low hydraulic conductivity. This kind of studies were never performed for landslides occurring in flysch deposits. This study presents the results of different field investigations, laboratory tests, and numerical activities that were performed to build up a numerical model capable to determine the influence of rainfall infiltration process on slope stability state through time. Undisturbed samples of the residual soil from a flysch rock mass were used to perform different laboratory tests in saturated and unsaturated conditions, aimed to provide an advanced hydro-mechanical characterization of the soil behavior under negative pore-water pressure. For the first time, the water retention curves, hydraulic conductivity functions, and unsaturated shear strength characteristics of the investigated soil were determined. Simulation results showed that rainfall duration, instead of intensity, is the crucial factor causing the landslide instability. Results suggest that only about 8 mm of rainfall can infiltrate into the slope during a day. The shear strength component associated with the negative pore-water pressure was found to have a negligible influence on the slope stability at the time of failure since positive pore-water pressure exists along the entire sliding surface. However, it is the unsaturated zone with specific hydraulic features that delay the landslide triggering event. Reduced hydraulic permeability and retention capacity of the soil between the phreatic line and slope surface are factors that postpone build-up of positive pore-water pressure along the sliding surface and enable the slope to remain stable during a long-lasting heavy precipitation.Klizišta uzrokovana oborinama učestalo se događaju diljem svijeta u različitim klimatskim, geološkim i topografskim uvjetima. Rastući broj studija provedenih unazad dva desetljeća ukazuje kako promjene značajki oborina, vezano uz moguće globalne klimatske promjene, mogu dodatno povećati učestalost nastanka klizišta. Uz značajke oborina, karakteristike tla drugi su faktor od krucijalne važnosti za nastanak klizišta uzrokovanih oborinama. Ovisno o odnosu intenziteta kiše i hidrauličkih značajki materijala koji sačinjavaju površinski dio padine, infiltracija oborine u kosinu tijekom vremena odvija se kao nestacionarni proces pri kojem dolazio do promjene vlažnost tla i preraspodjele pornih pritisaka unutar nesaturirane zone geotehničkog presjeka. Pritom najvažniji utjecaj na količinu i brzinu infiltracije, promjenu efektivnih naprezanja i mogući pad čvrstoće materijala imaju hidrauličke i mehaničke značajke tla. Kako bi se riješila jednadžba koja opisuje tečenja vode kroz nesaturirano tlo u vremenu i kvantificirao utjecaj oborine na stanje stabilnosti kosine, potrebno je poznavati funkcije značajki tla u nesaturiranim uvjetima: retencijsku krivulju, funkciju hidrauličke propusnosti te odnos između značajki čvrstoće i vlažnosti tla ili negativnih pornih pritisaka. Matrična sukcija je termin koji se u mehanici nesaturiranih tala najčešće koristi za negativni porni pritisak. Za razliku od plitkih klizišta u materijalima veće propusnosti, studije u kojima se proučava utjecaj nestacionarnog procesa infiltracije oborina na stabilnost dubokih klizišta izgrađenih od materijala relativno niske propusnosti vrlo su rijetke. Prethodna istraživanja klizišta u naslagama fliša u dolini Rječine bavila su se prvenstveno porastom pozitivnih pornih pritisaka uslijed dugotrajnih oborina i utjecajem procesa trošenja flišne stijenske mase na fizičko-mehaničke značajke tla. Pritom je utjecaj dugotrajnih oborina uzet u obzir u analizama stabilnosti jednostavnim podizanje razine podzemne vode (vrlo često i do površine terena), čime se smanjuju efektivna naprezanja i reducira posmična čvrstoća materijala duž klizne plohe. Budući da u ovoj vrsti analiza vrijeme nije jedna od varijabli, distribuciju pornih pritisaka i stabilnost kosine nije moguće analizirati u vremenu. Također, pretpostavlja se da je materijal ispod razine podzemne vode potpuno saturiran, odnosno potpuno suh iznad te razine. Utjecaj matrične sukcije unutar nesaturirane zone geotehničkog presjeka se zanemaruje, kao i svi efekti na hidro-mehaničke značajke tla. Kako bi se, po prvi puta u slučaju istraživanog materijala i predmetnog područja, aplicirali principi nesaturirane mehanike tla na nastanak klizišta uzrokovanih oborinama, provedene su brojne terenske i laboratorijske aktivnosti. Dva osnovna razloga zbog kojih je klizište Valići odabrano kao pilot područje za provedbu istraživanja su prisutnost rezidualnog tla u površinsko dijelu padine za koje je primijećeno značajno isušivanje tijekom sušnih ljetnih mjeseci, te činjenica da su reaktivaciji klizišta u veljači 2014. godine prethodile višemjesečne intenzivne oborine. Neporemećeni uzorci tla uzeti s površinskog dijela klizišta korišteni su za određivanje hidro-mehaničkih značajki tla u nesaturiranim uvjetima. Različitim tehnikama mjerenja i korištenjem ukupno šest laboratorijskih uređaja, određene su retencijske krivulje za proces adsorpcije i desorpcije pri različitim vertikalnim naprezanjima. Metodom nelinearne regresije određeni su parametri najčešće korištenih jednadžbi za opis retencijskih funkcija. Mjerenja hidrauličke propusnosti u saturiranim i nesaturiranim uvjetima, u kombinaciji s retencijskim krivuljama omogućili su definiranje funkcije propusnosti tla u nesaturiranim uvjetima. Time je definirana zavisnost hidrauličke propusnosti materijala od matrične sukcije ili vlažnosti tla. Korištenjem modificiranih uređaja za direktno smicanje tla baziranih na principu translatiranih osi, određen je utjecaj matrične sukcije na značajke čvrstoće tla. Definirane funkcije značajki tla u nesaturiranim uvjetima i rezultati terenskih mjerenja iskorišteni su za definiranje dvodimenzionalnog numeričkog modela kojim je moguće simulirati nestacionarni proces infiltracije oborina u kosinu, te odrediti utjecaj ovog procesa na stanje stabilnosti kosine u vremenu. Kako se parcijalna diferencijalna jednadžba tečenja vode kroz nesaturirano tlo rješava u prostoru i vremenu, pri čemu nelinearnost jednadžbe proizlazi iz nelinearnog odnosa materijalnih značajki i matrične sukcije, rješavanje iste najčešće podrazumijeva iterativne postupke i upotrebu numeričkih metoda. Komercijalno dostupni program SEEP/W (GEO-SLOPE International, Ltd.) baziran na metodi konačnih elemenata korišten je za rješavanje problema infiltracije oborina u kosinu korištenjem realnih ili umjetno generiranih zapisa oborina. Distribucije pornih pritisaka izračunate za različite vremenske trenutke integrirane su u program koji implementira metodu analize granične ravnoteže SLOPE/W (GEO-SLOPE International, Ltd.) kako bi se za svaki od proračunatih profila raspodjele pornih pritisaka izračunao faktor sigurnosti kosine. Time je utvrđena vremenska promjena stanja stabilnosti kosine izgrađene u naslagama fliša, uzimanjem u obzir različitih inicijalnih i rubnih uvjeta. Rezultati analiza potvrdili su dugotrajnost oborina kao presudan faktor za nastanak nestabilnosti, dok ekstremne količine oborina u kraćem vremenskom periodu rezultiraju značajnim površinskim otjecanjem. Čak i kada su mjereni intenziteti u periodu od rujna do veljače 2014. godine reducirani za 50 posto, rezultati analiza ukazuju kako se na dan reaktivacije kosina nalazi u stanju marginalne stabilnosti. Iako komponenta posmične čvrstoće povezana s matričnom sukcijom u trenutku sloma nema utjecaja na stabilnost kosine, utvrđeno je kako upravo nesaturirana zona geotehničkog presjeka, sa svojim specifičnim hidrauličkim značajkama, odgađa gubitak stabilnosti kosine pri ekstremnim oborinama. U tom smislu, smanjena hidraulička propusnost i retencijski kapacitet nestaturirane zone s negativnim pornim pritiscima, faktori su koji usporavaju porast pornih pritisaka duž klizne plohe i osiguravaju stabilnost kosine tijekom dugotrajnih oborina