Unsaturated Soil Mechanics in a Norwegian Perspective

Abstract

Denne oppgaven utforsker infiltrasjonkarakteristikker i umettet jord. Hovedforskjellen mellom mettet og umettet jord er at luft og vann er tilstede samtidig i porevolumene i sistnevnte. Overflatespenningene mellom luft og vann bidrar til sug i kornskjellettet som igjen bidrar til styrken og stabiliteten til jorda. Til tross for at mesteparten av løsmasser nær overflater er umettet har det ikke vært vanlig å regne på umettet jord i tradisjonell geoteknikk. De fleste jordskred utløst av regn forekommer i skråninger bestående av umettet jord og kan kobles til tapet av disse sugkreftene ettersom regn infiltrerer og fyller porevolumet. Ved hjelp av elementmetodeprogrammet Plaxis 2Dble infiltrasjonskarakteristikker til to jordtyper undersøkt. To ulike modeller ble utsatt for ekstremnedbør over flere dager: én med skråningsvinkel på 15 grader og én på 40 grader. Jordtypene silt og "sandy loam" definert av USDA-datasettet fra Plaxis ble testet i begge skråningsmodellene. Styrkeparametre for jordtypene ble optimalisert for å få lesbare resultater. I tillegg til analyser av infiltrasjonskarakteristikker ble resultatene fra disse undersøkelsene brukt til å studere Plaxis’ evne til å representere umettet jord. Som forventet ble det i etterkant av analysene observert at sikkerhetsfaktorene til skråningene gikk ned som konsekvens av den påførte nedbøren. Det ble sett at analysemodellen fully-coupled flow-deformations i Plaxis ikke er sensitiv for strømingsretninger når skråningsstabilitet beregnes. Sikkerhetsfaktorer beregnet i egen fase med analysemodell safety ga verdier under 1 for skråninger som ble gjennomført med suksess av førstnevnte analysetype. Det ble observert egne bruddmekanismer for de to ulike skårningsvinklene. Modellen med brattest skråning (40 grader) utviste et grunt overflatebrudd likt overflatestabilietseksempler. I modellen med skråningmed helning på 15 grader ble det til slutt observert en bruddmekanisme som lignet en tåsirkel. Krumningen på den sirkelen fulgte strømningsmønsteret i området. Infiltrasjonen inn i jordartene så ut til å opptre som en fullt mettet oppmetningsfront. Det ligner på den generaliserte oppmetningsmodellen kjent som Green-Ampt. I den mest permeable av de to jordartene, sandy loam, ble det observert oppbygning av (negativt ifølge Plaxis-definisjonen) poretrykk like i overkant av oppmetningsfronten. Dette kommer trolig av den store ulikheten i permeabiliteter i området. Infiltrerende vann renner heller sidevi veis gjennom andre fullt oppmettede områder enn å bidra til videre infiltrasjon og oppmetting av de underliggende, umettede sonene. Den poretrykksoppbygningen fulgte oppmetningsfronten vertikalt nedover og trykket over oppmetningsfronten gikk tilbake til verdier av sug når fronten hadde passert. Relativ permeabilitet er som kjent en funksjon av metningsgraden. Resultater fra denne analysen tyder på at relativ permeabilitet er avhengig såvel av metningsgrad som av poretrykket under infiltrasjon. Grafisk fremvisning av resultater fra denne undersøkelsen stemmer godt overens med infiltrasjonsmodellene presentert av Plaxis 2D i materialer-menyen. Dette tyder på at Plaxis 2D anvender disse funksjonene i Fully coupled flow-deformations-analysene.

This thesis explores the field of infiltration characteristics in unsaturated soil. Unsaturated soils differ from saturated soil theory due to the presence of both air and water in the pore volume. The presence of the two phases creates suction forces which contribute to the strength and stability of the soil. Despite the majority of near-surface soil being under unsaturated conditions application of unsaturated soil theory in geotechnical engineering has not been common. Most rainfall induced landslides takes place in unsaturated soil slopes and can be linked to the loss of suction occurring as rain infiltrates the pores and increases saturation. A numerical investigation using the finite element software Plaxis 2D is performed to investigate the infiltration characteristics of two different soil types. Two different cross sections with inclined ground water tables and slopes of 15 degres and 40 degres were subject to heavy rainfall over several days. Silt and sandy loam defined by the USDA database are tested for both slope models. Soil input parameters were adapted to optimise the tests. Results were examined to reveal infiltration characteristics of the soil types. The results were also used to evaluate Plaxis 2D’s performance in representing unsaturated soil behaviour. As expected it was observed that the factor of safety for the slopes decreased as infiltration took place. It was revealed that the Fully coupled flow-deformations analysis was not sensitive to direction of flow when considering slope stability. Connected safety calculations gave values below 1 for slopes successfully calculated by the fully coupled analysis. The observed failure mechanisms were different in the gentle and steep slopes. Failure was observed as shallow for the steep slope, resembling infinite slope failure examples. In the case of the gentle slope a deeper toe circle eventually formed which followed the direction of the groundwater flow. Vertical infiltration was observed to act like an advancing fully saturated front much like the piston known from the Green-Ampt infiltration model. In USDA sandy loam, which is a more permeable soil than silt, a build-up of (by Plaxis definition negative) pore pressure at the wetting front was observed. It is belied this was due to the significant differences in permeability to the underlying unsaturated zone causing infiltrating water to flow sideways in the saturated layer instead of causing infiltration downwards. This build-up of pore pressures dissipated and small values of suction forces returned as the wetting front advanced vertically. The relative permeability is known to be a function of the saturation levels. Results in thesis suggest that during infiltration the relative permeability depends on the pore pressure levels as well as on the saturation. Graphical plotting of results from the investigation shows good agreement with soil permeability functions provided by Plaxis suggesting these are incorporated in the fully coupled flowdeformations.