Landslide motion assessment including thermal interaction : an MPM approach

Risk associated with landslides of natural or man-made origin depends on the prediction of the post-failure behaviour of the mobilized mass. Numerical models capable of integrating the landslide geometry and its evolution, the coupled hydro mechanical interaction and the soil properties in the context of dynamic forces and large displacements are currently under development. This thesis is a contribution to this effort. In this sense, the material point method (MPM) is especially suited for analyzing landslides with large displacements. This numerical procedure must be accompanied by tests under controlled conditions in order to accurately check and calibrate the numerical response. In this thesis the capabilities of the MPM code developed are evaluated through the modelling of scaled laboratory slope tests with large displacements. In order to achieve an adequate comparison of the experimental and numerical results, the experiments are analysed by means of the interpretation of sequential digital images of the movement of the granular medium during the test (PIV technique). A novel procedure is developed to obtain the field of deformations over time and the tracking of particle path in a manner suitable for comparison with numerical results calculated in MPM. The main objective of the thesis was the development of a comprehensive calculation tool capable of simulating the behaviour of the slides from the initial triggering to the post-failure phase including thermal effects that determine the evolution of the movement. A formulation for non-isothermal problems coupled with hydraulic and mechanical behaviour in MPM was developed and implemented. The formulation includes the dissipation of frictional work as heat, which takes place, mainly, in shear bands. The described phenomena are strongly dependent on the thickness of the shear band and this result in a strong dependence of the numerical results in MPM with the discretization mesh. A novel procedure to solve this problem is presented in this thesis. Finally, very rapid Vajont landslide (Italy 1963) is modelled. A plain strain 2D model is presented without an “a priori” definition of the sliding surface. In fact, in a generalization of previous and recent work, the mobilized materials are not restricted to rigid solids interconnected along a predefined contact surface and the heat generation is not it is limited to a single predefined surface. Thus, thermal interaction processes are developed throughout the model as a function of the location and intensity of deformations.El riesgo asociado con deslizamientos de origen natural o artificial depende de la predicción del comportamiento posterior a la rotura de la masa movilizada. Actualmente se están desarrollando modelos numéricos capaces de integrar la geometría del deslizamiento y su evolución, la interacción hidromecánica acoplada y las propiedades del suelo en el contexto de fuerzas dinámicas y grandes desplazamientos. Esta tesis es una contribución a este esfuerzo. En este sentido, el método del punto material (MPM) es especialmente adecuado para analizar deslizamientos con grandes desplazamientos. Este procedimiento numérico debe ir acompañado de ensayos bajo condiciones controladas para poder comprobar y calibrar la respuesta numérica. En esta tesis se evalúan las capacidades del código MPM desarrollado, mediante la modelación de ensayos de laboratorio a escala con grandes desplazamientos. Para lograr una adecuada comparación de los resultados experimentales y numéricos, se analizan los experimentos mediante la interpretación de imágenes digitales secuenciales del movimiento del medio granular durante el ensayo (técnica PIV). Con este fin, se desarrolla un procedimiento novedoso para la obtención del campo de deformaciones en el tiempo y el seguimiento de la trayectoria de las partículas de forma idónea para la comparación con resultados numéricos calculados en MPM. El principal objetivo de la tesis fue el desarrollo de una herramienta potente de cálculo capaz de simular el comportamiento de los deslizamientos desde la rotura inicial hasta la fase de post-rotura incluyendo efectos térmicos que determinan la evolución del movimiento. Para esto, se desarrolla e implementa una formulación para problemas no isotérmicos acoplados con el comportamiento hidráulico y mecánico en MPM. Esta formulación incluye la disipación del trabajo friccional en forma de calor, lo cual ocurre principalmente en las bandas donde se localiza la deformación de corte. Este fenómeno descrito es fuertemente dependiente con el espesor de la banda de corte y esto se traduce en una fuerte dependencia de los resultados numéricos en MPM con la malla de discretización empleada. En esta tesis se presenta un novedoso procedimiento para solventar este problema. Por último se presenta la modelación del movimiento ocurrido en el deslizamiento rápido de Vajont (Italia 1963). Se introduce un modelo 2D en deformación plana sin una definición "a priori" de la superficie de deslizamiento. De hecho, generalizando los trabajos hechos anteriormente, los materiales movilizados no se restringen a solidos rígidos interconectados a lo largo de una superficie de contacto predefinida y la generación de calor no se limita a una única superficie predefinida. Así, los procesos de interacción térmica se desarrollan en todo el modelo en función de la localización e intensidad de las deformaciones.Postprint (published version

Efectos del cambio de la velocidad de deformación sobre la resistencia del suelo: aplicación del método del punto material

La velocidad de deformación afecta las propiedades mecánica de un suelo tanto en su estado inalterado (propiedades pico) como en estado residual. Este efecto conocido como “Rate effects”, ha sido estudiado en laboratorio por varios investigadores quienes han observado que, dependiendo de las características del suelo, un aumento de la velocidad de deformación puede inducir un aumento o una reducción de la resistencia. Sin embargo, la experiencia de campo indica que generalmente el efecto es positivo. El efecto de la velocidad de deformación sobre la resistencia ofrece una buena explicación a los movimientos lentos de ladera. Cuando una masa de suelo se desliza a velocidad constante, se encuentra en equilibrio estricto para resistencia friccional disponible, la cual es función de la velocidad alcanzada. Una modificación de las cargas externas (como una variación del nivel freático) puede acelerar el deslizamiento e incrementar la velocidad de deformación. En consecuencia, aumenta la resistencia disponible y se alcanza un nuevo equilibrio dinámico sin que se produzca la rotura y la aceleración brusca del deslizamiento. Un estudio completo del comportamiento de este tipo de deslizamientos requiere una formulación que incorpore, no únicamente la rotura, sino también los efectos de la velocidad de deformación en el modelo constitutivo. Por otro lado, es necesario trabajar con herramientas numéricas capaces de modelar grandes desplazamientos. Esta Tesis de Máster aborda el análisis numérico de los efectos de la velocidad de deformación sobre la resistencia del suelo mediante el Método del Punto Material (MPM). Para ello se ha implementado un modelo constitutivo elástoplástico que incorpora el efecto de la velocidad de deformación en la formulación MPM. Todo ello se ha implementado en un código en desarrollo En el modelo elastoplástico desarrollado las leyes incrementales de los esfuerzos y las deformaciones son expresadas en dos componentes: una independiente de la velocidad de deformación (según la formulación elastoplástica clásica); y otra que depende de la velocidad de deformación. El código GEOPART (Zabala et al. 2004), una vez validado y mejorado en algunos aspectos, se ha modificado para incluir los efectos de la velocidad de deformación. Para ello se ha implementado el modelo constitutivo desarrollado, se han modificado las condiciones iniciales y de contorno y se han incorporado nuevas variables de control. La validación del código se ha llevado a cabo mediante tres casos de estudio: un ensayo de compresión simple, un ensayo de corte directo y la simulación de una zapata sobre un estrato horizontal. En los tres casos se emplean diferentes velocidades de deformación. Los resultados se comparan con los obtenidos a partir del modelo clásico de Mohr-Coulomb y soluciones publicadas por otros autores. Finalmente se analiza el efecto de la discretización sobre los resultados

Landslide motion assessment including thermal interaction : an MPM approach

Risk associated with landslides of natural or man-made origin depends on the prediction of the post-failure behaviour of the mobilized mass. Numerical models capable of integrating the landslide geometry and its evolution, the coupled hydro mechanical interaction and the soil properties in the context of dynamic forces and large displacements are currently under development. This thesis is a contribution to this effort. In this sense, the material point method (MPM) is especially suited for analyzing landslides with large displacements. This numerical procedure must be accompanied by tests under controlled conditions in order to accurately check and calibrate the numerical response. In this thesis the capabilities of the MPM code developed are evaluated through the modelling of scaled laboratory slope tests with large displacements. In order to achieve an adequate comparison of the experimental and numerical results, the experiments are analysed by means of the interpretation of sequential digital images of the movement of the granular medium during the test (PIV technique). A novel procedure is developed to obtain the field of deformations over time and the tracking of particle path in a manner suitable for comparison with numerical results calculated in MPM. The main objective of the thesis was the development of a comprehensive calculation tool capable of simulating the behaviour of the slides from the initial triggering to the post-failure phase including thermal effects that determine the evolution of the movement. A formulation for non-isothermal problems coupled with hydraulic and mechanical behaviour in MPM was developed and implemented. The formulation includes the dissipation of frictional work as heat, which takes place, mainly, in shear bands. The described phenomena are strongly dependent on the thickness of the shear band and this result in a strong dependence of the numerical results in MPM with the discretization mesh. A novel procedure to solve this problem is presented in this thesis. Finally, very rapid Vajont landslide (Italy 1963) is modelled. A plain strain 2D model is presented without an “a priori” definition of the sliding surface. In fact, in a generalization of previous and recent work, the mobilized materials are not restricted to rigid solids interconnected along a predefined contact surface and the heat generation is not it is limited to a single predefined surface. Thus, thermal interaction processes are developed throughout the model as a function of the location and intensity of deformations.El riesgo asociado con deslizamientos de origen natural o artificial depende de la predicción del comportamiento posterior a la rotura de la masa movilizada. Actualmente se están desarrollando modelos numéricos capaces de integrar la geometría del deslizamiento y su evolución, la interacción hidromecánica acoplada y las propiedades del suelo en el contexto de fuerzas dinámicas y grandes desplazamientos. Esta tesis es una contribución a este esfuerzo. En este sentido, el método del punto material (MPM) es especialmente adecuado para analizar deslizamientos con grandes desplazamientos. Este procedimiento numérico debe ir acompañado de ensayos bajo condiciones controladas para poder comprobar y calibrar la respuesta numérica. En esta tesis se evalúan las capacidades del código MPM desarrollado, mediante la modelación de ensayos de laboratorio a escala con grandes desplazamientos. Para lograr una adecuada comparación de los resultados experimentales y numéricos, se analizan los experimentos mediante la interpretación de imágenes digitales secuenciales del movimiento del medio granular durante el ensayo (técnica PIV). Con este fin, se desarrolla un procedimiento novedoso para la obtención del campo de deformaciones en el tiempo y el seguimiento de la trayectoria de las partículas de forma idónea para la comparación con resultados numéricos calculados en MPM. El principal objetivo de la tesis fue el desarrollo de una herramienta potente de cálculo capaz de simular el comportamiento de los deslizamientos desde la rotura inicial hasta la fase de post-rotura incluyendo efectos térmicos que determinan la evolución del movimiento. Para esto, se desarrolla e implementa una formulación para problemas no isotérmicos acoplados con el comportamiento hidráulico y mecánico en MPM. Esta formulación incluye la disipación del trabajo friccional en forma de calor, lo cual ocurre principalmente en las bandas donde se localiza la deformación de corte. Este fenómeno descrito es fuertemente dependiente con el espesor de la banda de corte y esto se traduce en una fuerte dependencia de los resultados numéricos en MPM con la malla de discretización empleada. En esta tesis se presenta un novedoso procedimiento para solventar este problema. Por último se presenta la modelación del movimiento ocurrido en el deslizamiento rápido de Vajont (Italia 1963). Se introduce un modelo 2D en deformación plana sin una definición "a priori" de la superficie de deslizamiento. De hecho, generalizando los trabajos hechos anteriormente, los materiales movilizados no se restringen a solidos rígidos interconectados a lo largo de una superficie de contacto predefinida y la generación de calor no se limita a una única superficie predefinida. Así, los procesos de interacción térmica se desarrollan en todo el modelo en función de la localización e intensidad de las deformaciones

Landslide motion assessment including rate effects and thermal interactions: revisiting the Canelles landslide

The re-activation of a large (40 Mm3) landslide on the valley slopes of a reservoir motivated a research initiative to estimate the risk of a fast-sliding mass moving into the reservoir. A previous simplified analysis had suggested that a joint consideration of strain rate effects on friction and thermal pressurization phenomena in the sliding surface could provide a rational approach to answer the question raised. The paper describes first the capability of strain rate effects on friction to reproduce long-term creeping records of two real cases. The joint and coupled phenomena of creeping motion and thermal pressurization in shearing bands was incorporated into a material point method computational technique for hydromechanical analysis of porous materials. A representative cross section of the Canelles landslide was then analysed, profiting from previous finite element investigations of the landslide. It was found that a rapid rate of landslide acceleration could be a possibility under extreme external actions. However, it was also found that a moderate strain rate effect on the basal residual friction angle could create conditions that avoid the triggering of a fast motion.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

Wetting collapse and failure of and slope tested in centrifuge machine

This paper presents a centrifuge model of a silty clay slope. The increase of the gravity accel-eration is applied to the slope under unsaturated conditions. The slope is wetted in flight by means of water injection from the bottom. The deformation of the slope and the subsequent failure is analyzed. In order to avoid difficulties in the installation of sensors in the prototype, the model was built in a box of transparent walls and the slope behavior during the flight was recorded using a digital camera. The images were analyzed using the PIV method (Particle Image Velocimetry) and processed by means of the methodology called PIV-NP with the aim of obtaining accumulated displacements and strains. This methodology is able to provide the strains from PIV measurements following an Eulerian scheme even in case of large defor-mations. The experimental results indicate that the wetting-induced volumetric strains (col-lapse) occurred in the wetting front and the soil located above settled as a rigid block. The slope failure was observed at a certain time before the wetting front reached the slope surface and the failure surface was located close to the wetting front.Peer ReviewedPostprint (published version

Aceleración de deslizamientos por efectos térmicos: modelación mediante el método del punto material

La ocurrencia de deslizamientos rápidos se ha ligado a la pérdida de resistencia efectiva a lo largo de la superficie de rotura debido a excesos de presión de agua inducidos por el calor generado durante el propio movimiento. La simulación numérica de estos procesos se ha enfocado resolviendo la ecuación de la dinámica del movimiento de forma acoplada con la resolución de las ecuaciones de balance de masa y temperatura a la escala de la banda de corte. Para ello se debe definir a priori la geometría y la posición de la superficie de rotura. En este artículo se presenta la simulación numérica de deslizamientos incluyendo los efectos térmicos utilizando el Método del Punto Material, método numérico bien adaptado a la simulación de grandes desplazamientos. Ello permite simular de manera general el proceso de inestabilidad y el comportamiento post-rotura sin la necesidad de definir a priori la posición de la superficie de rotura crítica. Las ecuaciones de equilibrio dinámico y las de balance de masa y de energía se plantean de manera acoplada y se resuelven mediante el MPM en todo el dominio. A partir del análisis del comportamiento de un talud, se evalúa el efecto del calor en el movimiento de la masa inestable y se presenta un análisis de sensibilidad del efecto de la permeabilidad, parámetro clave en la acumulación de la presión de agua y, por tanto, en la reducción de la resistencia friccional. Con ello se presenta una herramienta numérica potente para la simulación integral de deslizamientos incluyendo los efectos térmicos.Postprint (published version

Effect of shear band thickness on the termo-hydromechanical coupled analysis of landslides

Thermal effects induced by the own motion of an unstable mass have been included in the analysis of the post-failure behavior in early works, most of them with the aim of looking for the causes of the rapid acceleration of Vajont landslide (Italy, 1963). Some limitations of these contributions, including recently published papers, lies in the fact that (a) the analyzed landslide geometries are simple and (b) the plastic work dissipation, inducing heat, is concen-trated in a shear band defined by the contacts between rigid bodies. This contribution general-izes previous ideas and presents a numerical approach capable of including thermally induced pore water pressure in landslide analyses. Special attention is given to the effect of the shear band thickness, which becomes relevant in numerical simulations.Postprint (published version

Effect of shear band thickness on the termo-hydromechanical coupled analysis of landslides

Thermal effects induced by the own motion of an unstable mass have been included in the analysis of the post-failure behavior in early works, most of them with the aim of looking for the causes of the rapid acceleration of Vajont landslide (Italy, 1963). Some limitations of these contributions, including recently published papers, lies in the fact that (a) the analyzed landslide geometries are simple and (b) the plastic work dissipation, inducing heat, is concen-trated in a shear band defined by the contacts between rigid bodies. This contribution general-izes previous ideas and presents a numerical approach capable of including thermally induced pore water pressure in landslide analyses. Special attention is given to the effect of the shear band thickness, which becomes relevant in numerical simulations.Postprint (published version

Novel procedure to validate MPM results by means of PIV measurements

The Particle Image Velocimetry is a powerful non-invasive technique to analyse displacements in experimental tests. Displacement increments elapsed between the capture of two digital images are commonly measured on points of a predefined grid fixed in the space. Therefore, tracking the movement of physical particles, which is interesting information especially in cases dealing with large displacements, is not possible when using this procedure. A post-processing code has been developed to get accumulated displacements, incremental and accumulated strains, as well as other variables such as velocity and acceleration, in points that represent a portion of the deformable object analysed. The procedure is of interest specially when dealing with large displacements. The method presented is especially useful to compare experimental measurements with MPM numerical results. The variables from the numerical model stored in material points can be directly compared with the experimental measurements obtained by means of the post-process code presented in the paper. The methodology is applied for the analysis of the failure of a dry granular slope performed in a 1 g scaled laboratory test which is numerically modelled with an MPM code (GeoPart). The aim of the paper is to show the capabilities of the new PIV interpretation procedure by comparing experimental and numerical results. The accuracy of the MPM model presented is not the main focus of the paper, but some limitations of the model are highlighted.Peer ReviewedPostprint (published version

Pervasive gaps in Amazonian ecological research

Biodiversity loss is one of the main challenges of our time,1,2 and attempts to address it require a clear un derstanding of how ecological communities respond to environmental change across time and space.3,4 While the increasing availability of global databases on ecological communities has advanced our knowledge of biodiversity sensitivity to environmental changes,5–7 vast areas of the tropics remain understudied.8–11 In the American tropics, Amazonia stands out as the world’s most diverse rainforest and the primary source of Neotropical biodiversity,12 but it remains among the least known forests in America and is often underrepre sented in biodiversity databases.13–15 To worsen this situation, human-induced modifications16,17 may elim inate pieces of the Amazon’s biodiversity puzzle before we can use them to understand how ecological com munities are responding. To increase generalization and applicability of biodiversity knowledge,18,19 it is thus crucial to reduce biases in ecological research, particularly in regions projected to face the most pronounced environmental changes. We integrate ecological community metadata of 7,694 sampling sites for multiple or ganism groups in a machine learning model framework to map the research probability across the Brazilian Amazonia, while identifying the region’s vulnerability to environmental change. 15%–18% of the most ne glected areas in ecological research are expected to experience severe climate or land use changes by 2050. This means that unless we take immediate action, we will not be able to establish their current status, much less monitor how it is changing and what is being lostinfo:eu-repo/semantics/publishedVersio