Rainfall-included landslides: Simulation and validation through case studies with a multiphrase porous media model in conjuction with the second order work criterion

Abstract

Rainfall is one of the most common triggering factors of landslides. Due to the usual large extension of rainfall events, hydrologically-driven instability can be triggered over large areas and frequently results in a diffuse, flow type of failure which occurs abruptly, involving a shallow soil deposit of different grading and origin. Considering the destructiveness of this type of landslides, the forecast of this risk consists a fundamental issue.This PhD thesis is primarily motivated by the need for a better understanding of the slope's mechanical response to rainfall infiltration and for a more accurate and realistic prediction of the location and time of the slope failure occurrence with regards to physical, mathematical and numerical modelling. To this end, the modelling of rainfall induced landslides is considered as a coupled variably saturated hydro-mechanical problem. For the numerical simulations the geometrically linear finite element code Comes-Geo is used, in which soils are considered as nonisothermal elasto-plastic multiphase solid porous materials.Furthermore, this PhD manuscript is dedicated to the concept of material instability in multiphase geomaterials, with particular reference to rainfall-induced landslides. A recently proposed criterion, the second order work criterion, based on Hill’s sufficient condition of stability (Hill, 1958) has been implemented on the abovementioned code. It consists in studying the sign of the second order work at the material point level and it is used for the detection of the onset of the local failure. The definition of the second order work criterion is reviewed and three different expressions are presented additionally, which could be used in the case of variably saturated porous materials; the second order work is expressed in terms of effective stress, of total stress and thirdly by taking into account the hydraulic energy contribution for the case of partially saturated soils. The abovementioned modelling framework in conjunction with Hill's criterion is applied for the finite element analysis of three initial boundary value problems: a plane strain compression test on dense sand and isochoric granular material where strain localisation is observed; the failure initiation of a well-documented flowslide (Sarno-Quidinci event, southern Italy 1998); a large scale slope stability experimental test subjected to rainfall infiltration (University of Padua, 2014).

Οι κατολισθήσεις είναι ένας από τους πιο σημαντικούς τύπους φυσικών καταστροφών. Το φαινόμενο αυτό αποτελεί μείζονα απειλή τόσο κοινωνικά όσο και οικονομικά, αφού μπορεί να επιφέρει καταστροφές οδικών δικτύων και των συνοδών τους τεχνικών έργων, καθώς και μη βιωσιμότητα ολόκληρων οικισμών λόγω επισφαλών συνθηκών. Η βροχόπτωση έχει αναγνωρισθεί ως ένα από τα κύρια αίτια εκδήλωσης κατολισθήσεων. Η δράση της βροχόπτωσης αποδυναμώνει τα πρανή αυξάνοντας το βαθμό κορεσμού του εδάφους και καταλύοντας τους δεσμούς που έχουν δημιουργηθεί λόγω της επιφανειακής τάσης (surface tension) μεταξύ των εδαφικών σωματιδίων. Η σημασία του παράγοντα της βροχόπτωσης στις κατολισθήσεις τις καθιστά εξαρτώμενες από το εκάστοτε κλιματικό καθεστώς και επομένως ευπαθείς σε πιθανές αλλαγές του. Οι Borgatti και Soldati ισχυρίζονται ότι αλλαγές στην βροχόπτωση, την θερμοκρασία και την εξατμισοδιαπνοή θα επηρεάσουν απευθείας το υδρολογικό καθεστώς στις κλιτύες. Το καθεστώς αυτό θα επιδράσει στον τύπο, το ρυθμό και την χρονική και χωρική κατανομή των εδαφικών κινήσεων. Λαμβάνοντας συνεπώς υπόψη μας τον κατολισθητικό κίνδυνο και ως επακόλουθο μιας ενδεχόμενης κλιματικής αλλαγής καθίσταται απαραίτητη η κατανόηση και η μοντελοποίηση των μηχανισμών που λαμβάνουν χώρα κατά τη δράση βροχοπτώσεων επί των πρανών με στόχο τη σωστή πρόβλεψη της θέσης και της χρονικής στιγμής της εμφάνισης της αστοχίας.Το παραπάνω φαινόμενο αποτέλεσε αντικείμενο της έρευνάς μου κατά τη διάρκεια της διδακτορικής μου διατριβής μέσα από τους ακόλουθους τρείς άξονες: εφαρμογή του κατάλληλου φυσικού αριθμητικού μοντέλου (physically-based model) για την προσομοίωση του φαινομένου, τη διερεύνηση χρήσης ενός πιο γενικευμένου κριτηρίου αστάθειας της ύλης (generalized criterion of material instability) για τον εντοπισμό της απαρχής της αστοχίας και τη διερεύνηση επιρροής της εφαρμογής καταστατικών προσομοιωμάτων ευρείας χρήσης (Mohr-Coulomb Drucker-Prager) και προηγμένων καταστατικών προσομοιωμάτων ακολουθώντας τη θεωρία γενικευμένης πλαστικότητας (generalized plasticity) στην περιγραφή της συμπεριφοράς των εδαφικών υλικών.

La pioggia è una delle maggiori cause delle frane. A causa della grande estensione dei fenomeni piovosi, l’instabilità idro-geologica può verificarsi su aree estese, e spesso si trasforma in una rottura di tipo diffusa causando colate che avvengono improvvisamente, coinvolgendo strati superficiali di suolo di diversa origine e classificazione. Considerando la capacità distruttiva di questo tipo di eventi, la valutazione del rischio corrispondente è di fondamentale importanza. Questa tesi è motivata principalmente dalla necessità di una migliore conoscenza della risposta di un pendio all’infiltrazione della pioggia e da una predizione più precisa e realistica dell’istante e del luogo del distacco di frane mediante opportuna modellazione fisico-matematica e numerica. A questo scopo, la modellazione delle frane causate dalla pioggia avviene considerando questi eventi come un problema idro-meccanico accoppiato in condizioni di saturazione variabile. Per le simulazioni numeriche è stato utilizzato il codice agli elementi finiti “Comes-Geo”, in cui il materiale costituente i pendii è analizzato come un solido poroso multifase elasto-plastico in condizioni non-isoterme. In questa tesi inoltre è discusso il problema dell’instabilità dei geomateriali multifase, con particolare applicazione alle frane indotte dalla pioggia. A tal fine, il criterio del lavoro del secondo ordine, basato sulla condizione sufficiente di stabilità di Hill (1958), è stato implementato nel codice di calcolo agli elementi finiti sopra menzionato. Esso consiste nello studio del segno del lavoro del secondo ordine a livello di punto materiale ed è utilizzato nella tesi per rilevare la rottura locale. La formulazione analitica di questo criterio è stata modificata per i solidi porosi proponendo tre diverse espressioni che possono essere utilizzate per i materiali porosi multifase in condizione di saturazione variabile; il lavoro del secondo ordine è stato espresso in funzione della tensione efficace (i), della tensione totale (ii) e considerando il contributo dell’energia idraulica nel caso di terreni parzialmente saturi (iii). L’approccio modellistico sopra menzionato e il criterio di Hill sono stati applicati all’analisi agli elementi finiti di tre problemi di collasso di suoli: un test di compressione biassiale (in stato piano di deformazioni) di una sabbia densa e un materiale granulare isocorico, in cui è stata osservata sperimentalmente la localizzazione di deformazioni, il distacco di una frana ben documentata della zona di Sarno-Quindici (Italia meridionale, 1998), un test di stabilità di un pendio sperimentale di grande scala soggetto a pioggia (Università degli Studi di Padova, 2014).