Landslide motion assessment including thermal interaction : an MPM approach
Authors:   , Alvarado Bueno Mauricio 
Published: July 2023

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.