Влияние угла уклона на морфологию отложений и распространение лабораторных оползней

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 9452 (2023) Цитировать эту статью

Подробности о метриках

Оползневые отложения часто имеют особенности поверхности, такие как поперечные хребты и X-образные сопряженные впадины, физическое происхождение образования которых недостаточно изучено. Для изучения морфологии месторождений лабораторные исследования обычно сосредотачиваются на простейшей геометрии оползня: наклонная плоскость, ускоряющая скользящую массу, с последующим ее замедлением в горизонтальной плоскости. Однако существующие эксперименты проводились лишь для ограниченного диапазона угла наклона θ. Здесь мы изучаем влияние θ на кинематику и морфологию отложений лабораторных оползней вдоль основания с низким коэффициентом трения, измеренное с помощью современного 3D-сканера. При низких θ (30–35°) обнаруживаются поперечные гребни, образовавшиеся в результате надвигов на оползневые отложения. При умеренных θ (40–55°) образуются сопряженные впадины. Модель разрушения Мора-Кулона предсказывает угол, заключенный между X-образными впадинами, как 90 ° - φ, где φ - угол внутреннего трения, что согласуется с нашими экспериментами и естественным оползнем. Это подтверждает предположение о том, что сопряженные впадины образуются из-за разрушения, связанного с трехосным напряжением сдвига. При высоких θ (60–85°) формируется морфология двойного подъема, поскольку задняя часть скользящей массы сталкивается с передней при переходе от склона к горизонтальной плоскости. Общая площадь поверхности оползней увеличивается при их движении вниз по склону, а затем уменьшается при их сходе.

Оползни могут быть очень разрушительными, особенно когда они распространяются на большие расстояния из-за высокой подвижности1,2,3,4,5,6,7. Помимо полевых исследований, изучить их текучее поведение можно путем построения физических моделей упрощенной геометрии оползней и проведения на них лабораторных экспериментов8,9,10,11,12. Особый интерес представляет морфология отложений оползня, поскольку она передает информацию о гранулярных процессах, которые действовали во время оползня.

Предыдущие эксперименты с физической моделью13,14,15,16,17,18,19,20 и полевые исследования16,17,21,22,23 выявили различную морфологию отложений оползней и их физическое происхождение. Например, образование дамб было связано со статическими зонами вблизи боковых границ неограниченных сухих гранулированных потоков24. Также широко распространено мнение, что часто встречающиеся поперечные гребни, образующиеся перпендикулярно направлению потока, являются поверхностными особенностями, связанными со сжатием17,18,21. Однако физическое происхождение сопряженных впадин (т.е. поверхностных структур характерной Х-образной формы), наблюдаемых на поверхности некоторых крупных оползневых отложений, менее ясно. Основываясь на полевых исследованиях, Ван и др.21 и Чжао и др.25 предположили, что они образуются в результате взаимодействия между транспортно-параллельным сжатием и радиальным или боковым расширением во время схода оползня, последнее вызывает трехосное напряжение сдвига. Если бы это предположение было правдой, это означало бы, что степень начального ускорения оползня играет решающую роль в процессе формирования, поскольку сжатие во время схода оползня является результатом его внезапного замедления при переходе от начального уклона к гораздо более пологому. рельеф местности. Это, в свою очередь, предполагает, что начальный угол наклона является ключевым параметром, контролирующим возникновение сопряженных впадин. Одной из целей данной статьи является проверка этой гипотезы посредством экспериментов на физической модели.

В то время как многочисленные предыдущие лабораторные исследования изучали геометрию наклонной плоскости10,26,27,28,29,30,31,32,33, лишь немногие исследовали геометрию оползня, то есть внезапный17,18,34 или плавный12,16 переход от наклонная плоскость к гораздо более плоскому рельефу. Однако большинство последних исследований было сосредоточено на динамике оползней, а не на морфологии отложений. Единственным исключением являются Ши и ван Вик де Врис16, которые изучали только морфологию отложений, но не выявили сопряженных впадин. Кроме того, все предыдущие лабораторные исследования, основанные на геометрии оползня, не учитывали широкий диапазон углов уклона.