The role of micro-mechanical parameters in the runout length of high-speed granular masses: Modeling and numerical simulations

Federico, Francesco; Cesali, Chiara

doi:10.1201/b17395-140

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“…The total shear resistance T max is obtained by adding the frictional shear resistance T fr , acting along the surface [1 -r(ẋ )]⍀, to the resultant of the shear stresses T disp , acting along the surface r(ẋ)⍀, related to the dispersive pressures (Federico and Cesali 2014):…”

Section: Power Balance Equationmentioning

confidence: 99%

An energy-based approach to predict debris flow mobility and analyze empirical relationships

Federico

Cesali

2015

Can. Geotech. J.

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Several empirical relationships allowing a preliminary estimate of debris flow runout distances have been proposed to correlate the runout length to the volume of the sliding granular mass, delimit potentially hazardous areas, and design safeguarding measures. To overcome their large variability and define their fields of applicability, an energy-based model, predicting debris flow mobility, is developed. The power balance of a granular mass sliding along two planar surfaces is written by taking into account the volume of the debris mass, the slopes of the sliding surfaces, an assigned interstitial pressure, the possible mass variation along the motion, the energy dissipation due to the grain inelastic collisions ("granular temperature" within a basal "shear layer"), and friction. A system of ordinary differential equations is obtained; its numerical solution allows, through parametrical analyses: (i) highlighting of the role of physical and mechanical parameters on the runout distance, such as grain size material, interstitial pressures, grain collisions, and erodibility of the crossed channel; and (ii) defining of the favourable conditions for debris flows mechanism generation. Finally, through the back-analysis of some cases, an original relationship to estimate the runout length, as well as to interpret the results of the empirical formulas, is proposed.Key words: sliding granular mass, granular temperature, shear layer, collisions, empirical relationships.Résumé : Plusieurs relations empiriques permettant d'effectuer une estimation préalable des distances parcourues par les écoulements de débris ont été proposées pour mettre en corrélation la distance parcourue par les écoulements et le volume de masse granulaire glissante, délimiter les zones potentiellement dangereuses et mettre en place des mesures de protection. Pour compenser la grande variabilité de ces relations et définir leurs champs d'application, on conçoit un modèle basé sur l'énergie, capable de prédire la mobilité des écoulements de débris. On décrit l'équilibre des forces d'une masse granulaire glissant sur deux surfaces planes en tenant compte du volume de la masse de débris, de l'inclinaison des surfaces de glissement, d'une valeur déterminée de pression interstitielle, de la possible variation de masse sur le parcours de l'écoulement, de la dissipation d'énergie due aux collisions inélastiques entre grains (« température granulaire » au sein d'une « couche de cisaillement » basale) et des frottements. On obtient un système d'équations différentielles ordinaires; la solution de ce dernier permet, par le biais d'analyses paramétriques : (i) de souligner le rôle des paramètres physiques et mécaniques (tels que la taille des grains de la masse glissante, les pressions interstitielles, les collisions entre grains, l'érodabilité du canal croisé) sur la distance du parcours des écoulements; (ii) de déterminer les conditions favorables au déclenchement du mécanisme d'écoulement de débris. Enfin, grâce à l'analyse rétrospective de certain...

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Section: Power Balance Equationmentioning

confidence: 99%