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Aug 20, 2023

Influenza dell'angolo di pendenza sulla morfologia dei depositi e propagazione delle frane di laboratorio

Scientific Reports volume 13, Articolo numero: 9452 (2023) Cita questo articolo 666 Accessi Dettagli metriche I depositi di frana spesso mostrano caratteristiche superficiali, come creste trasversali e forme a X

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I depositi di frana spesso mostrano caratteristiche superficiali, come creste trasversali e depressioni coniugate a forma di X, le cui origini fisiche di formazione non sono ben comprese. Per studiare la morfologia del deposito, gli studi di laboratorio si concentrano tipicamente sulla geometria più semplice della frana: un piano inclinato che accelera la massa in scivolamento seguita immediatamente dalla sua decelerazione su un piano orizzontale. Tuttavia, gli esperimenti esistenti sono stati condotti solo per un intervallo limitato dell'angolo di pendenza θ. Qui, studiamo l’effetto di θ sulla cinematica e sulla morfologia dei depositi di frane di laboratorio lungo una base a basso attrito, misurato utilizzando uno scanner 3D avanzato. A bassi θ (30°–35°), troviamo creste trasversali formate dal sovrascorrimento sui depositi di frana. A θ moderato (40°–55°), si formano avvallamenti coniugati. Un modello di cedimento di Mohr-Coulomb prevede che l'angolo racchiuso dalle depressioni a forma di X sia 90° − φ, con φ l'angolo di attrito interno, in accordo con i nostri esperimenti e una frana naturale. Ciò supporta l'ipotesi che le cavità coniugate si formino a causa del cedimento associato a uno stress di taglio triassiale. Ad alti θ (60°–85°), si forma una morfologia a doppio sconvolgimento perché la parte posteriore della massa in scivolamento impatta con la parte anteriore durante la transizione dal pendio al piano orizzontale. La superficie complessiva delle frane aumenta durante il loro movimento discendente e diminuisce durante il loro runout.

Le frane possono essere molto distruttive, soprattutto quando si estendono su grandi distanze a causa dell'elevata mobilità1,2,3,4,5,6,7. Oltre alle indagini sul campo, è possibile studiare il loro comportamento di flusso costruendo modelli fisici di geometrie semplificate delle frane ed eseguendo esperimenti di laboratorio su di essi8,9,10,11,12. Di particolare interesse è la morfologia del deposito di una frana, poiché fornisce informazioni sui processi granulari che sono intervenuti durante la sua frana.

Precedenti esperimenti su modelli fisici13,14,15,16,17,18,19,20 e indagini sul campo16,17,21,22,23 hanno rivelato diverse morfologie di depositi di frane e la loro origine fisica. Ad esempio, la formazione di argini è stata collegata a zone statiche vicino ai confini laterali di flussi granulari secchi non confinati24. Esiste anche un ampio consenso sul fatto che le creste trasversali che si verificano comunemente, che si formano perpendicolari alla direzione del flusso, sono caratteristiche superficiali legate alla compressione17,18,21. Tuttavia, l'origine fisica delle fosse coniugate (cioè strutture superficiali con una caratteristica forma a X), osservate sulla superficie di alcuni depositi di grande frana, è meno chiara. Sulla base di indagini sul campo, Wang, et al.21 e Zhao, et al.25 hanno ipotizzato che si formino dall'interazione tra la compressione parallela al trasporto e la diffusione radiale o laterale durante il runout di una frana, quest'ultima dando origine a uno stress di taglio triassiale. Se questa ipotesi fosse vera, implicherebbe che il grado di accelerazione iniziale della frana gioca un ruolo cruciale nel processo di formazione, poiché la compressione durante il runout di una frana è il risultato della sua improvvisa decelerazione durante la transizione dalla pendenza iniziale a quella molto più piatta. terreno disperso. Ciò a sua volta suggerisce che l'angolo di pendenza iniziale è un parametro chiave che controlla la presenza di avvallamenti coniugati. Uno degli obiettivi di questo articolo è verificare questa ipotesi mediante esperimenti su modelli fisici.

Mentre numerosi studi di laboratorio precedenti avevano indagato le geometrie del piano inclinato10,26,27,28,29,30,31,32,33, solo pochi avevano indagato le geometrie delle frane, cioè una transizione improvvisa17,18,34 o graduale12,16 da un piano inclinato su terreno molto più pianeggiante. Tuttavia, la maggior parte di questi ultimi studi si sono concentrati sulla dinamica delle frane piuttosto che sulla morfologia dei depositi. L'unica eccezione è Shea e van Wyk de Vries16, che hanno studiato solo la morfologia del deposito, sebbene non abbiano identificato depressioni coniugate. Inoltre, tutti i precedenti studi di laboratorio basati sulla geometria di una frana non consideravano un ampio intervallo di angoli di pendenza.