Experimental modelling of debris flow behaviour using a geotechnical centrifuge.

Bowman, Elisabeth T.; Laue, Jan; Imre, Bernd; Springman, Sarah M.

Physical modelling of debris flows has been carried out in the geotechnical drum centrifuge at ETH Zürich. A new apparatus to model debris flows in the centrifuge is described. The apparatus permits the final reach of a typical debris flow to be modelled within the centrifuge, with unconsolidated material flowing down a slope to deposit as a fan around the drum. Experiments are described for both fixed base conditions and erodible bases. Tests to examine the verification (modelling) of models show that debris flow behaviour is governed mainly by friction and consolidation processes, although some resolution is required between flow behaviour downslope and flow arrest during runout. The results are compared with bulk parameters determined for field-scale debris flows. It is found that some important flow mechanisms, such as contact-dominated behaviour and high pore pressures, are developed that are closer to those developed at field-scale than tests conducted at 1g. Velocity profiles for erodible beds are compared with a semi-empirical expression derived for experimental debris flows at 1g. Normalized velocity profiles are found to be in agreement; however, absolute velocities differ from those predicted. Scaling, the limitations of the apparatus, and potential for future work are discussed. Une modélisation physique des écoulements de débris a été effectuée avec une centrifuge géotechnique à baril à ETH Zürich. Un nouvel appareil servant à modéliser les écoulements de débris dans la centrifuge est décrit. Cet appareil permet de modéliser à l’aide de la centrifuge l’étendue finale d’un écoulement de débris typique, en considérant l’écoulement de matériaux non consolidés descendant d’une pente et se déposant en éventail autour du baril. Des expériences sont décrites pour des conditions avec la base fixe et avec la base érodable. Les essais effectués dans le but de valider les modèles ont démontré que le comportement des écoulements de débris est géré principalement par la friction et les processus de consolidation, malgré qu’il manque certaines informations entre le comportement de l’écoulement en descente de pente et l’arrêt de l’écoulement. Les résultats sont comparés aux paramètres globaux déterminés pour des écoulements de débris à l’échelle réelle. Il a été observé que des mécanismes importants d’écoulements sont développés, tels les comportements dominés par le contact et les pressions interstitielles élevées; ceux-ci étant plus près de ceux développés à l’échelle du terrain de ceux développés durant les essais à 1g. Les profils de vitesse pour des lits érodables sont comparés à une expression semi-empirique dérivée pour des écoulements de débris expérimentaux à 1g. Les profils de vitesse normalizés concordent, cependant les vitesses absolues diffèrent de celles prédites. Une discussion est présentée portant sur les effets échelle, les limites de l’appareil et les possibilités de travaux futurs.

DEBRIS avalanches; CENTRIFUGES; SLOPES (Physical geography); FRICTION; SOIL consolidation

Canadian Geotechnical Journal, 2010, Vol 47, Issue 7, p742

0008-3674

Academic Journal

10.1139/T09-141