Influence of earth pressure coefficients on numerical simulations in RAMMS

Abstract

Denne oppgaven innebærer undersøkelser av effekten som jordtrykkskoeffisienter har i numeriske modelleringer av flomskred. Flomskredene består av en blanding av jord, vann og stein og kan oppstå av ulike årsaker. Flomskred har en dilatant eller kontraktant oppførsel som defineres ut ifra hastighetsgradienten i ulike faser av et skred. Avhengig av om skredet dilaterer eller blir kompaktert, defineres henholdsvis en aktiv eller passiv jordtrykkskoeffisient. Oppførselen kan også være forskjellig i ulike retninger og i ulike deler av skredet. Dette medfører at oppførsel av et flomskred som kan assosieres med ulike jordtrykkskoeffisienter i ulike retninger ved ulike steder og tidspunkt. Disse jordtrykkskoeffisientene påvirker skredenes momentbalanse og kan dermed justere oppførselen i ulike faser av skredet. Flomskred utgjør en betydelig risiko for mennesker og infrastruktur da dets store hastigheter og krefter kombinert med lange utløp kan resultere i omfattende ødeleggelser. I tillegg er denne skredhendelsen vanskelig å forutse. Derfor er det også viktig å finne gode metoder for å simulere disse skredene på en realistisk måte. Ved hjelp av numeriske simuleringer som godt illustrerer et flomskreds forløp, muliggjør man i større grad å kunne dimensjonere sikkerhetstiltak og dermed sikre både mennesker og materiell. Effekten av jordtrykkskoeffisienten er undersøkt ved hjelp av det numeriske modelleringsprogrammet RAMMS. Dette programmet har en egen modul for flomskred. Programmet anser flomskredet som et materiale som beveger seg som et kontinuum. Derfor må det basert på flomskredets egenskaper, defineres en reologi som definerer strømmen av flomskredet. RAMMS bruker en Voellmy-reologi som definerer basal motstand basert på de to friksjonsparameterne μ og ξ, som henholdsvis definerer en tørr-Coulomb type friksjon og turbulent friksjon. Programmet lar en definere en jordtrykkskoeffisient under simuleringene av et flomskred. Denne kan enten settes aktiv eller passiv og forblir konstant gjennom hele simuleringen i alle faser av flomskredet. Med utslippsvolum fra en gitt utslippshøyde og en terrengmodell som definerer utløpssonen for flomskredet, beregner RAMMS forløpet av skredet basert på ligninger for masse og moment. Resultatet vises i en animasjon som inneholder informasjon om flomskredets høyde og hastighet ved ulike lokasjoner. Ut ifra resultatene kan effekten av jordtrykkskoeffisienten undersøkes. Utløpsformen og lengden påvirkes i stor grad av jordtrykkskoeffisientene. Effekten er ulik avhengig av verdien er aktiv eller passiv. De ulike jordtrykkskoeffisientene skal egentlig bestemmes som et resultat av hastighetsgradienten, men RAMMS lar kun brukeren bestemme en konstant verdi for hele simuleringen. Både den aktive og den passive jordtrykkskoeffisienten gav utslag på formen til flomskredet. Den aktive jordtrykkskoeffisienten viste seg å ha en viss kontrollerende effekt av spredningen på flomskredet. Dessverre viser det seg samtidig at denne koeffisienten resulterer i oscilleringer av simuleringen. Den passive viste seg å ha en forlengende effekt på skredet. Det mest optimale hadde likevel vært å kunne variere jordtrykkskoeffisientene basert på hastighetsgradienten for å best mulig simulere oppførselen av denne typen skred, men dette lar seg ikke gjøre i RAMMS.

This thesis contains investigations of the effects of earth pressure coefficients in numerical simulations of debris flows. Debris flows consist of a mixture of soil, water and rock and can have several initiation causes. The debris flows can either have a dilatant or compressive behavior which is defined from the velocity gradient in the different phases of a flow. Depending on if a flow is dilating or compressing, an active or passive earth pressure coefficient is defined. The behavior can also be change in different directions and at different locations in the flow. This causes the behavior of the flow to be associated with different earth pressure coefficients in different directions at different locations and points in time. These earth pressure coefficients are included in the moment balance of a debris flow and can hence adjust the behavior in different phases of the flow. Debris flows pose a significant threat to humans and infrastructure since their large velocities and forces combined with long runout distances can result in large destructions. In addition, the debris flows are hard to predict. It is therefore important to obtain good methods to realistically simulate such flows. By using numerical simulations that represent the event well, one makes it possible to design good countermeasures and in such a way help to protect both people and structures. The effect of the earth pressure coefficient is investigated by modelling a debris flow in the numerical software RAMMS. The program has a separate module for debris flows. The program considers the debris flow as one material which moves as a continuum. Based on the properties of the debris flow, a rheology that defines the flow must be determined. RAMMS uses the Voellmy rheology which defines basal friction based on the parameters μ and ξ. They define a dry-Coulomb type of friction and turbulent friction respectively. The program also lets the user define an earth pressure coefficient during the simulation of a debris flow. This coefficient can either be set to an active or passive value and remains constant throughout a simulation in all phases of the flow. With a release volume from a given height and a terrain model which defines the flow path of the debris flow, RAMMS determines the course of the debris flow based on mass and momentum equations. The results show as an animation which contains information about the debris flow height and velocity at different locations. Based on these results, the effect of the earth pressure coefficient can be scrutinized. The shape and length of runout is to a large extent affected by the earth pressure coefficients. The effect changes based on if the earth pressure is active or passive. The different earth pressure coefficients are in reality determined as a result of the velocity gradients, RAMMS however only lets the user set a constant value of the coefficient for the entire simulation. Both the active and the passive earth pressure coefficient affected the shape and length of the runout. The active earth pressure coefficient showed to have a controlling effect of the spread of the flow to some extent. Unfortunately, this coefficient results also in oscillations in the simulation results. The passive one showed to have an elongating effect on the flow. The most ideal situation would nevertheless be to be able to variate the earth pressure coefficient based on the gradient of velocity, to simulate best simulate the behavior of the debris flow. This is however not possible in RAMMS.