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傾斜地における穀物の溶解の影響

Sep 08, 2023Sep 08, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 22203 (2022) この記事を引用

609 アクセス

メトリクスの詳細

自然の斜面または建設された斜面の静的および動的安定性は、溶解または溶解に似た現象によって影響を受ける可能性があります。 しかし、その根本的なメカニズムは依然として不明です。 新しい実験結果と離散要素シミュレーションにより、鉱物の溶解が斜面挙動に及ぼす影響について粒子レベルおよびマクロスケールの情報が得られます。 ミクロスケールでは、荷重を支える粒子アーチが溶解粒子の周りに発達し、空隙率が増加し、接触力の連鎖が進化してハニカム トポロジーを形成します。 マクロスケールでは、垂直方向の沈下が一般的な変形パターンである一方、準静的な粒状損失の下でも、傾斜地では塊の消耗を生み出す横方向の粒状移動が顕著です。 水平方向の粒状変位は、深さに沿った垂直方向の粒状変位と同様に、表面で最大となり、斜面からの距離に応じて直線的に減少し、底部の境界でゼロになります。 摩擦角が小さく、傾斜が急な堆積物では、垂直方向と水平方向の両方で大きな変位が発生します。 溶解後、斜面はより平坦になり、斜面角度の減少は地盤高さの損失 ΔH/Ho に直接関係します。 しかし、溶解によって生じる多孔質の布地のため、垂直方向の短縮は、固体質量分率の損失から推定される上限、ΔH/Ho ≈ SF よりも小さくなります。 水分が飽和した条件下では、溶解後の生地が突然の非排水せん断や斜面滑りを引き起こす可能性があります。

溶解と再沈殿は一般的で持続的な続成過程です。 化学プロセスの時間スケールは通常非常に長く、「土壌の不活性仮定」は多くの工学用途に当てはまります。 ただし、浸透誘発炭酸塩溶解などの移流状態や、ダムの基礎、鉱山の尾滓、飛灰、火山灰、火山灰などの若い系で系が平衡から遠く離れている場合には、溶解と沈殿が比較的短い時間スケールで起こることもあります。 CO2注入1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13。

廃棄物は、その成分が平衡状態から外れた新たな環境条件に突然さらされるため、特に溶解や分解に対して脆弱です。 鉱山の尾鉱や飛灰池からの重金属や酸の排水は、進行中の溶解プロセスの初期の兆候です 14,15。 同様に、CaO や CaSO4 などのフライアッシュの一部の成分は溶解性が高くなります 16,17。 石炭灰粒子の溶解は不安定性と崩壊の一因となります18。 一方で、ゼオライトやフィリップサイトなどの新しい鉱物が沈殿する可能性があります19,20。 溶解と再沈殿により、多孔質でありながら固結した堆積物が生成され、脆くて収縮性があり、一度撹乱されると液状化しやすくなります。 固相損失による斜面の不安定性の可能性は、廃棄物の処理(有機廃棄物、鉱山の尾鉱、石炭灰を含む)に影響を与える可能性があります。

自然の地盤の動きの多くは、必ずしも鉱物の溶解ではありませんが、何らかの形で固相の損失を伴います。 針状の氷と分離した氷の融解を伴う日中または季節的な凍結融解の繰り返しは、固相流と呼ばれる下降勾配のラチェット運動を引き起こします21、22、23、24。 カーシントンダムの決壊は、基礎層内の既存の固溶せん断面に沿って発生しました25、26。 ここ数十年、高山や極地における永久凍土の減少により、地滑りがますます発生し27、28、29、30、岩石構造の不安定化の一因となっている31、32。

同様に、ガスハイドレートの解離は、Storegga Slide38,39 や Trænadjupet Slide40,41 で見られる大規模な海底地滑りの主な原因の 1 つです 33,34,35,36,37。 水和物の解離には固体の質量損失だけでなく、ガスの生成と膨張も伴い、その結果、顕著な過剰間隙圧の発生と有効応力損失が生じます 33,42。 ガスハイドレートの解離は、海面変動 43 や海水温の上昇 44 によって自然に引き起こされる可能性があり、プラットフォーム基礎付近では避けられません 34,45。 さらに、ガス発生のために意図的に溶解が引き起こされる場合もあります46。

上述したように、多くの研究は、フィールド内の斜面の動きは溶解または溶解に似た現象によるものであると考えています。 しかし、今日まで、傾斜地の挙動に対する溶解メカニズムの影響を詳しく調べた研究はありません。 したがって、本研究の目的は、鉱物の溶解などの固相損失による傾斜地盤の安定性と変形を調査することです。 特に、離散要素シミュレーションから収集したミクロスケールおよびマクロスケールの情報を使用して、乾燥した排水状態での溶解中の質量消耗特性と、実験室モデルテストを使用して水中で溶解が発生した場合の緊急挙動を理解することを目的としています。

研究アプローチは、大口径 1 g の実験室実験と一連の離散要素シミュレーションを組み合わせたものです。 2 つのアプローチは、それぞれの方法の条件に一致するように設計されているのではなく、それぞれの利点を補完して活用するように設計されていることに注意してください。 たとえば、実験では飽和した試料が使用されますが、DEM では乾燥した試料が使用されます。

私たちは、溶解時の一般的な現場条件である水飽和条件下での斜面での溶解の影響を調査するために、1 g の実験室実験を設計して実施しました。

実験研究では、2 枚の平行な透明なアクリル板 (幅 18 mm、13 mm の隙間で分離) で作られた薄いタンクを使用しました。 厚いアクリル壁は 914 mm × 610 mm で、沈殿物の重量による壁の水平方向のたわみを最小限に抑えるために、タンクの四隅にあるスペーサーにしっかりと固定されました。 底部の入口ポートは、堆積物の下の底部全体に沿って走るフローディフューザーで覆われており、これにより真の1Dフローが可能になり、均一な溶解が促進されました(図1)。

斜面の安定性に対する溶解の影響を調査するために使用される透明な二次元タンク。

ここで示した結果は、90% 砂 (不溶性粒子: D50 = 0.16 mm、Gs = 2.65、準円形、粗度勾配、全体摩擦角 38°) と 10% 塩 (可溶性粒子: D50 = 0.3 mm) からなる堆積物に相当します。 mm、Gs = 2.165、立方体、グレードが低い)を重量で測定し、可溶性画分(SF)が 10% の混合物を作成します。 砂と塩を乾式混合し、タンク内に流し込み、初期角度 30°の斜面を形成しました。 不溶性粒子 (GU = 2.65) と溶解性粒子 (GD = 2.165) の比重は異なるため、それらの加重平均を使用して初期全体気孔率を計算しました。

ここで、m = 溶解可能な粒子の質量分率。 密度 ρw と ρdry はそれぞれ水と乾燥混合物に対応します。 初期の気孔率測定値 n0 は 0.412 (中程度の緩さ) です。

モデルの底から飽和 NaCl ブライン溶液をゆっくりと浸透させました (期間: 5 時間)。 塩水は砂に混ざった塩の溶解を防ぎました。 浸透液中の塩濃度を徐々に低下させることにより、徐々に溶解を制御した(期間:3日間)。 長期間にわたる塩濃度のこれらのゆっくりとした漸進的な変化により、すべての可溶性粒子のサイズが同時に確実に減少しました(チャやサンタマリナのような「均一な溶解」47)。 低い反応速度 (低いダムケーラー数) により均一な溶解が保証され、局所的な溶解や入口境界から始まる面溶解などの優先的な溶解モードが回避されました。 さらに、飽和と流量に関して非常に低い動水勾配 (i < 0.1) が維持されたため、堆積物粒子に生じる上昇圧力は無視できました。 カメラは、5 分間の時間間隔で高解像度のタイムラプス イメージングによって斜面の変形を記録しました。 実験装置は溶解中、振動のない重いテーブル上に隔離されました。

現場で溶解の時間スケールをシミュレートすることは不可能ですが、長時間にわたる均一な溶解によって実証されるように、実験室での溶解が非常に緩やかであることを確認しました。 その結果、システムは準静的に動作しました。

これまでの研究では、慣性数 (I) を使用して、粒子離散要素シミュレーション 48 や実験解析 49 における動的効果を定量化してきました。 計算された表面上の粒子の慣性数は約 10−8 であり、準静的基準 (I < 10−3) 内に十分収まっています。

デジタル画像相関では、堆積物のコントラストが不足しているため、最初から最後まで適切な変位フィールドを提供できませんでした。 代わりに、高解像度画像で検出可能な、はっきりと目に見えて持続する不純物の変位を手動で追跡しました。 図2aの結果は、溶解の開始から終了までの変位ベクトルを示しています。これは、垂直変位が優勢であり、垂直変位の大きさが標高とともにほぼ直線的に増加し、水平変位が斜面に向かってますます顕著になることを示しています。 試験片の面積分析では、総体積が 7.5% 減少し、溶解分率が固体体積で 12% (重量で 10%) であることがわかります。これにより、初期気孔率 n0 = 0.412 から n0 = 0.412 までの気孔率の増加が計算されます。最終気孔率 nf = 0.440。

実験結果。 視覚的に認識できる点の変位ベクトル: (a) 溶解の開始から終了まで。 注: 点線は元の斜面を示します。 (b) 5 分間の撮影間隔中に観察された突然のせん断破壊。 この試験は、質量分率 SF = 10% の溶解性粒子が混合された試料に相当します。 注: 変位ベクトルは (a) と (b) の両方で同じスケールで示されています。

特に、記録されたすべての画像がムービーシーケンスとして再生されたときに、突然の変位が検出されました。 図 2b は、この突然の変位を強調する 2 つの連続した画像を示しています。 デジタル画像相関は、これらの連続画像間の突然の動きを捕捉しました。 補足データの図S1を参照してください。 変位ベクトルは浅い破壊面を定義します。 この局所的な障害が発生する可能性のある最大の継続時間は、写真間の時間間隔 Δt = 5 分です (ただし、位置特定が 2 つの連続した画像内にのみ含まれているという事実は、実際の継続時間は任意にもっと短い可能性があることを示しています)。 排水長が滑りの深さと同様であると仮定すると、d = 10 cm、排水された状態の圧密係数は、細砂に相当する cv > d2/Δt = 0.3 cm2/s よりも大きくなるはずです。 これらの結果は、この局所的な破壊が排水されていない条件下で発生したことを示唆しています。

滑りを引き起こす可能性のあるメカニズムには、図 3 にも示されているように、次の一連のイベントが含まれている可能性があります。この実験や他の研究で示されているように、粒状の溶解により空隙率が増加し、堆積物は収縮します 47。 同時に、内部応力状態はクーロン破壊条件、つまり Ka50 に近づきます。 したがって、積極的な破壊条件により、多孔質粒状骨格の構造崩壊が始まりました。 この突然の崩壊は、溶解後の堆積物の高度な収縮傾向と組み合わされて47、上の段落で説明したように、一時的な過剰間隙水圧の発生と有効応力の減少を引き起こす可能性があり、これによりせん断強度が低下し、傾斜が生じます。失敗/滑り。

スライドに至る一連の状況。 応力比 K0 と気孔率は、Cha および Santamarina の 3 次元離散要素シミュレーションから得られます47。

側壁には摩擦が少なく傷つきにくいアクリル板を使用しました。 それにもかかわらず、境界によって粒子と側壁との間に摩擦が生じる可能性があり、境界での粒状の動きがある程度減少する可能性があります。 まず、溶解中に摩擦により沈下が減少する可能性があり、その後、せん断の局所化が始まると、移動量が減少する可能性があります。 実際、私たちのせん断滑りは短距離で発生しました。 境界摩擦にもかかわらず局在化が起こったという事実は、横方向の寸法が大きい 3D 実験ではより大きな滑りがあったことを示している可能性があります。

傾斜地における溶解の影響は、Itasca のパーティクル フロー コード (PFC) 2D による 2 次元 (2D) 離散要素法 (DEM) シミュレーションを使用してさらに研究されました。 実験とは異なり、DEM シミュレーションはドライまたは排水されました (流体モジュールなし)。 これらの条件は、不飽和条件下での溶解(例、繰り返しの雨水浸透による)51,52、および部分的に飽和した地盤、または溶解中に局在化が起こらない粗粒堆積物の飽和斜面でさえも固相流に関連性を持っています。 正確な条件をエミュレートするわけではありませんが、シミュレーションと実験は補足的な情報を収集します。

表 1 に、基本的なシミュレーション環境と材料特性を示します。 2D シミュレーションでは、垂直剛性 kn = 108 N/m およびせん断剛性 ks = 108 N/m の線形接触モデルを使用しました。 上で述べたように、条件は乾燥/排水されており、前壁または後壁に対する側面摩擦はありませんでした。 さらに、堆積物と垂直側壁との間に摩擦がないため、均一な溶解を受けた平地部分の一次元沈下が可能になりました。 堆積物と下部境界(非溶解基材)の間の摩擦係数は0.5でした(図4f)。 接触モデルの剛性と粒子間摩擦は、文献とソフトウェアマニュアルに基づいて選択されました53、54、55、56。 堆積物は、モデル形状内のランダムな位置に配置されたディスクで構成され、最終目標サイズ (つまり、Rmin = 0.4 mm および Rmax = 0.6 mm の均一なサイズ分布) まで成長させました。

試験片の準備と溶解前の接触力の連鎖 – すべてのケースが同じ力のスケールで表示されます。 可溶性粒子は赤色で表示されます (SF = 25%)。 パーティクルの数はすべてのシミュレーションで同じであることに注意してください (10,567)。

回転抵抗を意味する粒子の角度と噛み合いは、転がり抵抗を課すことによって、または非球形粒子と粒状クラスターの導入によって数値的に実装できます 57、58、59、60。 妨げられた粒子の回転は、粒子の角度を考慮した計算効率の高いアプローチです 65,66。 すべての粒子が回転を妨げている場合、数値結果は物理的に矛盾します。 この研究では、ランダムに配置された粒子の事前に選択した割合の回転を妨害しました。つまり、0%、40%、および 80% の回転妨害 (HR) を使用して、さまざまなレベルの粒状のかみ合いまたは巨視的摩擦をシミュレートしました 67。 Shin と Santamarina 50 の実験結果を用いたこのアプローチの議論と調整については、Cha と Santamarina 47 を参照してください。 このアプローチは、巨視的傾向と地球規模の微小機械パラメータを模倣しましたが、現実的な粒子形状を使用する計算コストのかかる手法よりも不自然な動作を生み出しました。 特に、回転が妨げられた粒子の周囲で過度の局所的な膨張が観察されました。

シミュレーションでは、3 つの初期傾斜角、β = 20°、30°、および 40° を使用しました (図 4)。 数値的に測定された安息角 Φr は、回転が妨げられた粒子の割合に応じて増加しました。HR = 0% の場合は Φr = 22°、HR = 40% の場合は Φr = 35°、HR = 80% の場合は Φr = 48°です67。 。 したがって、HR = 0%の場合、βo = 20°の傾きのみが安定しました。 βo = 20°および 30°の傾きは HR = 40% で安定していました。 また、βo = 20°、30°、および 40°の 3 つの勾配は、HR = 80% の場合に安定していました。 β = 20°の場合の試験片の寸法は、基部の長さ 284 mm、高さ 72 mm です。

可溶性粒子はランダムに選択され、予備成形された粒状充填物中に均一に分散されました(可溶性粒子は赤色で示されています。図 4)。 可溶性粒子の質量分率 (SF) は、全粒子の SF = 25% を占めました。 炭酸塩や蒸発石などの水溶性ミネラルを含む特定の堆積物の可溶性画分は大きく異なる可能性があることに注意してください68,69。

滑らかで段階的なサイズ縮小により、数値の不安定性や動的影響が防止されました。 可溶性粒子の溶解は、すべての可溶性粒子の半径を同じ速度で徐々にかつ同時に減少させることによって実行されました70。 特に、段階的なサイズ縮小には、微細なサイズ縮小の多数のステップ (具体的には、各ステップで初期半径の 1/50,000 倍の半径縮小) が含まれ、各ステップの後に完全平衡段階が続きます 47,71。 さらに、平均不平衡力と平均接触力の比は常に 0.001 より小さく、溶解プロセス全体を通じて安定した状態が確保されました。

慣性数 I は、応力依存の骨格力 σ'd2 によって加速されたときの特定の変位の時間と、課されたひずみ速度 \(\dot{\upgamma }\)48 を考慮した同じ変位の時間との比です。 72:

直径 d = 1 mm、粒子密度 ρ = 2650 kg/m3、表面粒子の平均有効応力 σ' = 0.02 kPa (最もクリティカルな場合)、粒子収縮率 \(\dot{\upgamma }\) の粒子の場合= 0.017/s の場合、計算された慣性数 I≈2 × 10−4 は、ひずみ速度に依存しない摩擦抵抗の準静的基準 I < 10−3 内にあります。 全体的な動きの場合、傾斜移動速度 \(\dot{\upgamma }\) = 0.004/s および有効応力 0.6 kPa (深さ中央) を適用すると、計算された I は 8 × 10−6 になります。

溶解可能な粒子のサイズが初期サイズの 10% に減少すると、マクロスケール パラメーターは安定しました。 粒子サイズが初期サイズの 1% に減少した時点でシミュレーションを終了しました。 時間ステップは \(\Delta \mathrm{t}=0.6\sqrt{\mathrm{m}/\mathrm{K}}\) に設定されました。ここで、m は粒子の質量、K は粒子の剛性です。 シミュレーション中に粒子質量 m が減少するにつれて、時間ステップが変化しました。 溶解シミュレーションの物理時間は約 2 分でしたが、計算時間は数週間を超えました。 シミュレーション結果からの観察は次のとおりです。

接触力は粒状物質に特徴的な「連鎖」を形成します。 私たちのシミュレーションでは、力の連鎖は溶解前に均一に分布しており、通常の圧縮下での典型的な応力比 K0 ≈ 0.45 と一致して優先的に垂直方向を向いていますが、力の連鎖の主方向は斜面付近で垂直から逸脱しています (図 4)。 図 5 は、初期状態の傾斜地盤 (表面から底部まで) に高い応力異方性が存在することを示しています。 傾斜角が大きいほど、最大せん断応力を平均法線応力で割った値が大きくなります。

斜面の中央、斜面の端、および垂直壁付近における最大せん断応力を平均垂直応力で割った分布。 各データ ポイントは、図に示すように配置された測定円内の平均値であることに注意してください。

力の再分配は、溶解可能な粒子が収縮し始めた後に始まります。 溶解可能な粒子によって最初に伝達される力は、溶解中に隣接する粒子に伝達されます (ビデオを参照 - 補足データ)。 優勢な粒子間力の連鎖は、蜂の巣状の織物の発達した空隙の周囲にアーチを形成します (図 6)。 力の連鎖の蜂の巣状のネットワークは、より粒状のかみ合いを持つ堆積物、つまり回転障害粒子 HR の割合が高い充填物でより顕著でした (図 6)。 配位数はすべてのケースで減少しました。初期値の 3.62 (すべてのケース) から、溶解の終わりには 2.38 (回転が妨げられない)、2.28 (HR = 40%)、および 2.09 (HR = 80%) に減少しました。 応力状態は溶解後、特に中斜面でより安定しました。

溶解終了時の接触力チェーン – すべてのケースが同じ力スケールで表示されます。 注: これらの結果を図 5 に示す結果と比較してください。

最終的な全体的な気孔率は、すべてのケースで増加しました。初期値 no = 0.155 (高密度、すべてのケース) から、n = 0.205 (回転の妨げなし)、n = 0.216 (HR = 40%)、および n = 0.243 (HR = 40%) まで増加しました。実験結果と同様に、溶解終了時には 80%) でした。 三次元シミュレーションおよび実験のための溶解中の気孔率およびその他のパラメーターの進化の補足的な結果は、Cha および Santamarina73 および Cha および Santamarina47 で見つけることができます。

図 6 の画像を注意深く検査すると、溶解後に主要な接触力チェーンの隣に大きな空隙が残っていることがわかります。 これは、溶解粒子の周囲にフォース アーチが発生したことを意味します。 大きな空隙の画像(図 7a; 注: 粒子はすべての小さな空隙を閉じるために変位なしで ΔR/R ≈50% 成長します)と接触力チェーンの画像(図 7b)の間の 2D 相互相関分析により、次のことが確認されます。最も大きな空隙は、主要な力の連鎖から 1 粒子直径離れたところに見つかりました (通常はその下にあります。図 7c を参照)。

(a) 大きな残存空隙と (b) フォースチェーンの間の因果関係。 (c) 2D 相互相関は、主要な力の連鎖から粒径内に大きな空隙が残っていることを示しています。

この独特の溶解後の内部織物は、さらなる負荷の際に異なる堆積物反応を予期し、例えば、せん断摂動下で座屈しやすくなる。 特に、溶解した土壌では収縮傾向が高いため、傾斜地における固有のせん断荷重が静的液状化を引き起こす可能性があります47。 これは、図 2b で報告されている浅い滑りを説明している可能性があります。

実験結果(図2a)と一致して、垂直沈下が一般的な全体的な変形パターンでした(補足データの図S2)。 可溶性画分が高く、かみ合い角度または巨視的摩擦角が小さい堆積物では、より多くの量の沈下が発生しました。 ここでも、溶解性粒子がランダムに分布しているため、垂直沈下は地表に向かって準直線的に増加しました。 表 2 の 3 列目は、垂直壁付近 (つまり、斜面から離れた場所) の表面沈下によって決定された垂直ひずみを示しています。 すべての垂直ひずみは 0.25 をはるかに下回っており、気孔率の増加と一致しています。 より粒度の高いインターロッキングにより、垂直方向の歪みが軽減されます。 さらに、深さの増加に伴う自重の増加により、垂直ひずみは初期の高さとともにわずかに増加します (表 2)。

傾斜した地面は、完全に準静的な溶解下でも、かなりの質量消耗を引き起こします。 ランダムに分布した可溶性粒子が溶解し、周囲の粒子が再配置されると、すべての粒子が垂直方向と水平方向に移動します (ビデオを参照 - 補足データ)。 それらの流動は、粒子が垂直方向に変位するのと同じくらい、平均法線応力と比較して大きな最大せん断応力に耐える傾斜地盤内で水平方向の動きが同時に起こるという方法で、溶解中に結合されます(図5)。

図 8 は、最終的な変位ベクトルから抽出された水平成分を示しています。 水平方向の変位は斜面上で最も大きく、斜面から離れるにつれて急激な遷移、つまりせん断局所化が生じることなく減少しました。 水平変位は平地に向かって徐々に減少します。 図 9 は、水平方向の粒状変位と、斜面中央の斜面に垂直な初期距離との関係を定量化したものです。 すべての場合において、水平方向の粒状変位は表面で最大となり、斜面表面からの距離に応じて準線形に減少し、深さに沿った垂直方向の粒状変位と同様に、底部の境界でゼロになります。 それは単純なせん断流れに似ていますが、その動きは準静的です。

溶解終了時の変位ベクトルの水平成分 - すべてのケースを同じ変位ベクトル スケールで示します。

水平方向の粒状変位と、斜面中央の斜面に垂直な初期距離との関係。 緑色のストリップ (幅 4 mm) は、選択した粒子の範囲を示します。

粒状のかみ合いにより水平方向の変位が減少し、初期の傾斜角が大きくなると質量の無駄が大きくなります (図 8 および 9)。 明らかに、水平変位は傾斜角度とともに増加し、垂直変位よりも敏感に粒状インターロックによって減少します(表 2 および図 10)。 さらに、傾斜地での粒状溶解は、平地での溶解よりも垂直ひずみを増加させます (表 2: 3 番目と 4 番目の列を比較)。 粒子が水平方向に移動すると、傾斜ジオメトリによりさらに下向きの動きが発生する可能性があります。

選択範囲の上部の垂直および水平の粒度変位 (図 9 を参照) は、ベースからの初期高さによって正規化されます。 表 2 の数値データ (4 列目と 5 列目)。

溶解後の水平変位のヒストグラムは、媒体の大部分がゼロに近い平均水平変位を有していたことを明確に示しています (図 11)。 緑色の線は、右側の硬い壁に最も近い平地にある約 2000 個の粒子 (粒子の総数の 19%) のヒストグラムを示しています。 このゾーンでは、粒子の水平方向の変位は小さく、優先方向がなく ± 2 mm 以内に収まります。 ヒストグラムはゼロ変位に関してほぼ対称です (図 11)。 しかし、すべての粒子をプロットすると、かなりの部分が水平方向外側 (正の方向) に移動します (図 11)。これは、斜面の下の粒子の質量を表します。 粒状のかみ合い角や巨視的摩擦角が小さい堆積物の急勾配では、溶解後の水平変位が大きくなり、これは以前の結果と一致しています(図8、9、10)。

溶解の終わりにすべての非溶解性粒子が経験した水平方向の変位のヒストグラム。 緑色の線は、右側の硬い壁に最も近い約 2000 個の粒子のヒストグラムを示しています。 ビンの数は視覚化を容易にし、HR を区別するために関連付けられています (すべてのケースでビンのサイズ = 0.2 mm)。

確かに、この DEM 研究における斜面の形状と可溶性の分布は、特定のケースを表しています。つまり、エネルギー廃棄物や可溶性部分を含む堤防など、傾斜範囲が限られた若い傾斜堆積物が、不溶性の基礎地盤の上に重なっています。 現場の状況によっては、斜面表面と溶解フロントの下端が平行である可能性があり、影響を受ける深さは各浸透イベントの強度と持続時間によって決定されることが示されています。 雨水の浸透により、若い傾斜堆積物に二次空隙が形成され、傾斜堆積物のセメンテーションが弱まる可能性があります。 凍結融解によって引き起こされる大量消耗事象では、凍結深さと融解深さは温度差によって決まります。 層は、溶解深さまたは形状を支配することもあります。 それにもかかわらず、この研究は、水平/垂直粒子の移動が溶解の影響を受けた深さに比例することを示しています。 また、主要なパラメータの影響は、本研究および以前の研究から定性的に認識されています。 さらに、挙動の予測に役立つ各効果を正確に判断するには、焦点を絞った研究が必要ですが、次の関係は、せん断局所化がない場合の複合効果に見通しを与えます。

ここで、各関数は括弧内のパラメーターと正の相関関係があります。 θ は傾斜角度、SF はランダムに分布した可溶性粒子の割合、ϕ は巨視的摩擦角、L は傾斜の寸法 (高さまたは長さ)、D (%) は 0 から ~ までの範囲の溶解の進行です。 80%、その後動作が安定し始めます。

初期の傾斜角 β0 は溶解が進むにつれて平坦になり、最終的な傾斜はすべての場合で βfinal < β0 でした (図 12)。 非排水破壊が存在しない場合、溶解中の横方向の変位は傾斜角にわずかな影響を及ぼしました。 実際、最終的な傾斜角の適切な近似値は、最初の土地の標高 Ho の短縮 ΔH から三角関数的に計算されます。

明らかに、初期傾斜角 β0 が数値的に測定された安息角 βrepose に近いことは、二次的な影響を及ぼします。 ただし、上記の式で予測されるように、粒状インターロックは垂直短縮を減少させ (つまり、ΔH/Ho が小さい)、溶解後の急勾配を維持します。 可溶性画分 SF は、垂直短縮の上限推定値 ΔH/Ho < SF です。実際、溶解が一定の空隙率 (図 12 の点線) で起こる場合、ΔH/Ho = SF です。 そうしないと、この研究で観察されたように、溶解中に気孔率が増加します。

すべての場合 (SF = 25%) の初期傾斜角 βo と溶解後の最終傾斜角 βfinal の比較。 点線は、一定の気孔率で溶解が起こった場合の上限推定値 ΔH/Ho = SF です。

この DEM 調査では、堤防や人工盛土の場合によくあることですが、斜面の長さが限られているため、不均一な斜面の動きが生じます。 水平方向の粒子の変位は、非溶解性の基材と、傾斜した堆積物の粒子との摩擦により、斜面の中間部よりも基部付近でより制限されます。 水平変位も平地に向かって徐々に減少します。 したがって、不均一な水平方向の動きにより、わずかに湾曲した表面が生じます(たとえば、図6fおよび8fなど、高角度の斜面でより顕著になります)。

鉱物の溶解と沈殿は同時進行する土壌プロセスであり、移流状態や鉱物が平衡から遠く離れた場所に露出した場合に比較的短い時間スケールで起こりますが、これは若い自然システムや人工システムでは一般的です。 離散要素シミュレーションで補完された 1 g モデル実験を使用して、粒子の溶解が斜面の安定性に及ぼす影響を調査しました。

溶解すると、溶解粒子の周りに荷重を支える粒子アーチが発達します。 ハニカム形状の接触力チェーン トポロジーは、溶解後の高多孔性ファブリックの特徴となります。 相互相関分析により、溶解後に主要な接触力チェーンの隣に大きな空隙が残ることが確認されました。 傾斜地盤では、平均垂直応力と比較して最大せん断応力の初期値が高くなります。 溶解後はストレス状態がより安定した。

溶解は大きな斜面の動きを引き起こします。 全体的な垂直沈下が一般的な変形パターンである一方で、傾斜地では粒子が水平に移動し、たとえ溶解が準静的に起こったとしても、重大な質量の消耗につながります。 水平方向の粒状移動は、深さに沿った垂直方向の粒状移動と同様に、斜面表面で最大となり、非溶解ベースによって境界付けられた斜面表面から離れるにつれて直線的に減少します。 全体的な摩擦角が小さい、または傾斜が急な堆積物では、垂直方向と水平方向の両方で大きな変位が発生します。

溶解後は斜面が平坦になります。 傾斜角の減少は、地盤高さの損失 ΔH/Ho に直接関係します。 しかし、すべての場合において、空隙率が増加するため、傾斜角は垂直短縮の上限からの推定値 ΔH/Ho ≈ SF よりも大きくなります。

排水または乾燥条件下での溶解中の数値シミュレーションでは、せん断局在化や壊滅的な破壊は観察されませんでした。 ただし、突然の非排水せん断が発生し、浅い破壊につながる可能性があります。 一連の事象には、(1) 溶解と気孔率の増加、(2) 破壊に近づく内部応力、(3) 粒子骨格の崩壊、(4) 間隙圧力の増大、および (5) 静的液状化の形態として発生するせん断が含まれます。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究への支援は、KAUST 寄付金と米国エネルギー省サバンナ川運営局によって提供されました。 この研究は、教育省の資金提供を受けた韓国国立研究財団(NRF)を通じた基礎科学研究プログラムによっても支援されました(2019R1A6A1A10072987)。 G. アーベルスカンプが原稿を編集しました。

済州国立大学海洋科学部土木工学科、済州特別自治道済州市、63243、大韓民国

Minsu Cha

Earth Science and Engineering、キング アブドラ科学技術大学 (KAUST)、トゥワル、23955-6900、サウジアラビア

J. カルロス・サンタマリーナ

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JCS は調査を構想し、監督しました。 MC は数値的および実験的な作業を実行しました。 MCが原稿を書きました。 JCSが原稿を編集しました。 著者全員が原稿をレビューしました。

ミンスチャさんへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Cha、M.、サンタマリーナ、JC 傾斜地における穀物の溶解の影響。 Sci Rep 12、22203 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-26620-1

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受信日: 2022 年 9 月 1 日

受理日: 2022 年 12 月 16 日

公開日: 2022 年 12 月 23 日

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