Influencia del ángulo de la pendiente en la morfología del depósito y la propagación de deslizamientos de laboratorio

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9452 (2023) Citar este artículo

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Los depósitos de deslizamientos de tierra a menudo exhiben características superficiales, como crestas transversales y canales conjugados en forma de X, cuyos orígenes de formación física no se comprenden bien. Para estudiar la morfología del depósito, los estudios de laboratorio generalmente se enfocan en la geometría de deslizamiento de tierra más simple: un plano inclinado que acelera la masa deslizante seguida inmediatamente por su desaceleración en un plano horizontal. Sin embargo, los experimentos existentes se han realizado solo para un rango limitado del ángulo de pendiente θ. Aquí, estudiamos el efecto de θ en la cinemática y la morfología del depósito de los deslizamientos de tierra de laboratorio a lo largo de una base de baja fricción, medidos con un escáner 3D avanzado. En θ bajo (30°–35°), encontramos crestas transversales formadas por cabalgamientos sobre los depósitos de deslizamientos. En θ moderado (40°–55°), se forman valles conjugados. Un modelo de falla de Mohr-Coulomb predice el ángulo encerrado por los canales en forma de X como 90 ° − φ, con φ el ángulo de fricción interna, de acuerdo con nuestros experimentos y un deslizamiento de tierra natural. Esto respalda la especulación de que se forman canales conjugados debido a fallas asociadas con un esfuerzo cortante triaxial. En θ alto (60°–85°), se forma una morfología de doble levantamiento porque la parte trasera de la masa deslizante impacta en la parte delantera durante la transición de la pendiente al plano horizontal. El área total de la superficie de los deslizamientos de tierra aumenta durante su movimiento cuesta abajo y luego disminuye durante su recorrido.

Los deslizamientos de tierra pueden ser muy destructivos, especialmente cuando recorren grandes distancias debido a la alta movilidad1,2,3,4,5,6,7. Además de las investigaciones de campo, se puede estudiar su comportamiento de flujo mediante la construcción de modelos físicos de geometrías simplificadas de deslizamientos de tierra y la realización de experimentos de laboratorio sobre ellos8,9,10,11,12. De particular interés es la morfología del depósito de un deslizamiento de tierra, ya que transmite información sobre los procesos granulares que han estado en funcionamiento durante su deslizamiento.

Experimentos previos con modelos físicos13,14,15,16,17,18,19,20 e investigaciones de campo16,17,21,22,23 han revelado diferentes morfologías de depósitos de deslizamientos de tierra y su origen físico. Por ejemplo, la formación de diques se ha relacionado con zonas estáticas cerca de los límites laterales de flujos granulares secos no confinados24. También existe un acuerdo generalizado de que las crestas transversales que ocurren comúnmente, que se forman perpendiculares a la dirección del flujo, son características superficiales relacionadas con la compresión17,18,21. Sin embargo, el origen físico de las vaguadas conjugadas (es decir, estructuras superficiales con una forma de X característica), observadas en la superficie de algunos depósitos de grandes deslizamientos, es menos claro. Sobre la base de investigaciones de campo, Wang, et al.21 y Zhao, et al.25 especularon que se forman por la interacción entre la compresión paralela al transporte y la expansión radial o lateral durante el descentramiento de un deslizamiento de tierra, lo que da lugar a un esfuerzo cortante triaxial. Si esta especulación fuera cierta, implicaría que el grado de aceleración inicial del deslizamiento juega un papel crucial en el proceso de formación, ya que la compresión durante el descentramiento de un deslizamiento es el resultado de su repentina desaceleración durante la transición de la pendiente inicial a la mucho más plana. terreno de desvío. Esto, a su vez, sugiere que el ángulo de la pendiente inicial es un parámetro clave que controla la aparición de valles conjugados. Es uno de los objetivos de este trabajo probar esta hipótesis por medio de experimentos con modelos físicos.

Mientras que numerosos estudios de laboratorio previos investigaron geometrías de planos inclinados10,26,27,28,29,30,31,32,33, solo unos pocos investigaron geometrías de deslizamientos de tierra, es decir, una transición repentina17,18,34 o suave12,16 de un plano inclinado a un terreno de descentramiento mucho más plano. Sin embargo, la mayoría de estos últimos estudios se centraron en la dinámica de los deslizamientos de tierra más que en la morfología del depósito. La única excepción es Shea y van Wyk de Vries16, quienes estudiaron solo la morfología del depósito, aunque no identificaron valles conjugados. Además, todos los estudios de laboratorio previos basados en la geometría de un deslizamiento de tierra no consideraron un amplio rango de ángulos de pendiente.

Aquí llevamos a cabo experimentos de laboratorio basados en una geometría de deslizamiento de tierra, con ángulos de pendiente que varían entre 30° y 85°. Tenga en cuenta que los flujos granulares con ángulos de pendiente entre 70° y 90° ocurren de hecho en la naturaleza, como en eventos de avalancha de acantilados y flujos de tiza en áreas costeras19,35. Para registrar la evolución del deslizamiento, utilizamos dos cámaras de alta velocidad y un escáner 3D avanzado.

El enfoque de nuestros experimentos radica tanto en la dinámica de deslizamientos de tierra como en la morfología de los depósitos, especialmente en las depresiones conjugadas. Nuestros objetivos son los siguientes: (1) explorar variaciones en los parámetros de movimiento de deslizamientos y estados con ángulo de pendiente; (2) determinar la influencia del ángulo de la pendiente en la morfología del depósito e identificar los mecanismos físicos detrás de la formación de características superficiales, especialmente canales conjugados; (3) explorar la evolución temporal de la longitud, el ancho y el área de las masas deslizantes durante todo su movimiento.

Se realiza un experimento de caja de arena para estudiar el proceso de movimiento y la morfología del depósito de los deslizamientos de tierra de laboratorio (Fig. 1). Se utilizó plexiglás para construir los dispositivos experimentales, que se componían de cinco partes: una placa inclinada, una placa horizontal, un contenedor de arena, un escáner 3D y dos cámaras de alta velocidad. Se coloca un par de pistas de arenero en la placa inclinada para ajustar la altura del arenero. Las longitudes de la placa inclinada y la placa horizontal son de 1,5 m y sus anchos de 1,2 m. El ángulo de inclinación se puede variar entre 30° y 90°. En la Fig. 1 se define un sistema de coordenadas, en el que x denota la dirección del movimiento medio de un deslizamiento de tierra y z la dirección vertical orientada hacia arriba. El volumen fijo de la caja de arena es \(3,6 \times {10}^{-3}\) m3. Consiste en una puerta que se puede abrir rápidamente para liberar la arena. Un escáner tridimensional (3D) (F6 Smart, MANTIS VISIONS) funciona a 8 fotogramas/sy una resolución de 1,3 megapíxeles. Obtiene datos de coordenadas 3D de la superficie superior con una precisión de 0,1 mm durante todo el proceso de movimiento de deslizamiento. Consta de tres lentes: una en la parte inferior que emite luz infrarroja cercana (NIR) hacia la masa deslizante y dos lentes en la parte superior, una que recibe la luz NIR retrorreflejada y otra que puede producir imágenes en color. Los datos NIR recibidos se transforman en datos de nubes 3D de la morfología de la superficie. Los datos 3D se producen de acuerdo con los principios de paralaje estereoscópico y rango triangular activo13,14,36. Se utilizan dos cámaras de alta velocidad (60 fotogramas/s, resolución de 0,4 megapíxeles) para recopilar imágenes al final de cada experimento. Uno se coloca en un estante de cámara móvil, lo que permite tomar fotos de depósito desde una vista de pájaro. El otro se fija en la parte delantera de la placa horizontal, con una vista horizontal.

Aparato utilizado para los experimentos de modelo físico.

Arena de cuarzo medianamente fina (recuadro de la Fig. 2) se utiliza como material de deslizamiento. Su distribución de tamaño de partícula (Fig. 2) exhibe una media de 0,18 mm, un coeficiente desigual de \(C_{{\text{u}}} = D_{60} /D_{10} { = }2,39\), y un coeficiente de curvatura de \(C_{{\text{c}}} = D_{30}^{2} /(D_{60} D_{10} ){ = }1.19\), donde Dn denota el tamaño que n % de partículas no exceden. El área superficial de las partículas por unidad de masa es de 0,02 m2 kg−1, y el ángulo de fricción interna de la arena φ es de 36°, medido mediante pruebas de corte directo37,38. El coeficiente de fricción de la interfaz entre la placa y la arena es 0,42.

Distribución del tamaño de partícula del material experimental (recuadro: imagen de la arena de cuarzo fina media).

Antes de cada experimento, la placa inclinada, la placa horizontal y el interior de la caja de arena se limpian con un líquido a prueba de electricidad estática. Después de que el líquido se seque, la arena se llena en la caja de arena en tres pasos separados, interrumpidos por la compactación para garantizar la uniformidad. Luego, la caja de arena se cierra con una puerta que se puede abrir rápidamente al comienzo de cada experimento (Fig. 1). El cajón de arena completamente lleno, que contiene 3,6 \(\times\) 10–3 m3 de volumen de arena con una masa de 5,4 kg, se coloca de manera que la altura inicial de su centro de masa esté a 0,7 m en cada experimento, ajustando un par de pistas (Fig. 1).

Se realizan siete pruebas de calibración en una pendiente de 50° para cuantificar los errores aleatorios en los experimentos. Luego, los experimentos reales se llevan a cabo para ángulos de pendiente que varían de 30° a 85° a intervalos de 5°. Todos los experimentos se ejecutan al menos dos veces y se anotan los parámetros morfológicos, es decir, la longitud, anchura y profundidad máximas del depósito, el área del depósito, la relación longitud-anchura y la relación circunferencia-área (Fig. 3). Si la diferencia de cualquiera de estos parámetros entre ambas ejecuciones en relación con la media de ambas ejecuciones es mayor que el valor respectivo para los experimentos de calibración (Fig. 4), se realiza un tercer experimento. Luego, se seleccionan aquellos dos de los tres experimentos que presentan la menor diferencia entre ellos.

Diagrama de la morfología del depósito de los deslizamientos de nuestro laboratorio: Lm = longitud máxima (la longitud proyectada desde la parte más trasera a la parte delantera en el plano xoy); Wm = ancho máximo; Dm = profundidad máxima; A = área proyectada en el plano horizontal; C = circunferencia del depósito; θ = ángulo de pendiente; H = altura de la escarpa del cajón de arena; Hc = altura del centro de masa de la caja de arena; L = distancia de descentramiento; Li, Wi, Ai = largo, ancho y área de la masa deslizante durante su movimiento.

Experimentos de calibración. Un círculo corresponde a una medida para una carrera determinada y los diamantes a la media de todos los círculos. Las líneas negras visualizan aproximadamente la distribución.

La morfología de las masas deslizantes varía con el tiempo y el ángulo de inclinación. Sin embargo, el comportamiento cualitativo general tiende a ser similar para cada uno de los intervalos de ángulo de pendiente 30°–35°, 40°–55° y 60°–85°. Por lo tanto, las instantáneas de deslizamientos de tierra a 30°, 50° y 80° se muestran como casos representativos (Fig. 5). A 30°, el deslizamiento de tierra se propaga como una masa delgada y relativamente uniforme de ancho casi constante y deja un depósito en la placa inclinada (Fig. 5a). A 50°, la masa deslizante se extiende lateralmente mientras se propaga pendiente abajo, como un abanico. Su perfil de espesor cuando se propaga sobre la placa inclinada es desigual, con protuberancias claramente visibles alrededor de la línea central y menos arena en los flancos. Sin embargo, casi no deja depósito en la placa inclinada (Fig. 5b). A 80°, la expansión en forma de abanico sobre la placa inclinada disminuye a medida que la masa deslizante cae casi libremente. Su perfil de espesor en la placa inclinada es muy desigual (Fig. 5c). Además, se forma una capa finamente extendida frente al depósito principal (que no se tiene en cuenta al medir los descentramiento) debido a un impacto secundario de masa deslizante desde la parte trasera39,40.

Procesos de movimiento de los deslizamientos de laboratorio en ángulos de pendiente de (a) 30°; (b) 50° y (c) 80°.

El descentramiento (L, definido como en la Fig. 3) disminuye linealmente con el ángulo de pendiente θ: \(L = ( - 19,58\theta /^\circ + 2103,49)\) mm (Fig. 6).

Runout de los deslizamientos de laboratorio en diferentes ángulos de pendiente.

El desplazamiento de una masa deslizante se define como la diferencia entre su posición frontal y la inicial, que es el fondo del arenero. Su primera y segunda derivada después del tiempo son su velocidad y aceleración, respectivamente. Además, la duración de la propagación del frente de deslizamiento se define en función del instante en que el frente de la masa deslizante deja de moverse. Los cuatro parámetros dinámicos se muestran en la Fig. 7. A 30°–35°, el deslizamiento de tierra exhibe tres etapas: aceleración uniforme, velocidad constante y desaceleración, de acuerdo con estudios de laboratorio previos en ángulos de pendiente bajos10,41,42. Las dos primeras etapas son antes de que la masa deslizante encuentre el quiebre de la pendiente (indicado por flechas y líneas discontinuas verticales). A 40°–55°, la etapa de aceleración se puede dividir en una etapa de aceleración uniforme y, menos pronunciada pero aún perceptible, una etapa de aceleración a un ritmo decreciente. A 60°–85°, los deslizamientos de tierra alcanzan su velocidad máxima durante la etapa de aceleración uniforme y luego, casi inmediatamente, entran en una etapa de desaceleración cuando sus frentes se encuentran con el quiebre de la pendiente. Sin embargo, entre 80° y 85°, ocurre un breve episodio secundario de aceleración durante la etapa de desaceleración. Este fenómeno está estrechamente relacionado con las ondas resaltadas en la Fig. 5c, que se forman debido al impacto de la parte trasera de la masa deslizante sobre el depósito que ya se ha acumulado en la placa horizontal. Luego, esta parte trasera saltará sobre el depósito principal y formará la capa frontal secundaria, que se extiende de manera delgada.

Evolución temporal de parámetros dinámicos para diferentes ángulos de pendiente. Las flechas naranjas y las líneas discontinuas verticales indican el instante en que una masa deslizante llega al quiebre del talud (recuadro: la duración del frente de los deslizamientos y el momento en que llegan al quiebre del talud).

En general, las etapas alternas de aceleración y desaceleración son señales de fluctuaciones de tensión y ya fueron observadas previamente por Roche, et al.43 y Bachelet, et al.44.

La longitud, el ancho y el área de una masa deslizante se definen como se muestra en la Fig. 3. Tanto la longitud como el área tienden a aumentar cada vez con menos rapidez con el tiempo y eventualmente incluso disminuyen (Fig. 8), aunque casi no existe tal disminución en el área para ángulos de pendiente grandes θ \(>\approx\) 60°. Durante el aumento, la tasa de cambio de la longitud o el área se correlaciona positivamente con el ángulo de la pendiente, mientras que la longitud o el área máxima presenta una correlación negativa. Curiosamente, los valores máximos de longitud y área para θ \(>\approx\) 60° casi no dependen del ángulo de inclinación.

Evolución temporal de parámetros morfológicos en diferentes ángulos de pendiente. Las líneas punteadas indican que el frente del deslizamiento de tierra llega hasta los quiebres de pendiente (cf. Fig. 7).

La evolución temporal del ancho de la masa deslizante pasa por tres etapas distintas. En la primera etapa, el ancho es aproximadamente igual al ancho de la caja de arena. En la segunda etapa, el ancho aumenta hasta su máximo (es decir, el ancho máximo del depósito), con una tasa de aumento rápido entre 50° y 75°, pero con una tasa de aumento relativamente baja en los otros ángulos de pendiente. En la tercera etapa, la masa deslizante avanza sin cambiar significativamente su ancho máximo.

El recuadro de la Fig. 8 muestra la relación entre la duración de la propagación de los deslizamientos de tierra, definida en función del instante en que todo el movimiento se detiene en todas partes (a diferencia de solo el frente en el recuadro de la Fig. 7), y el ángulo de pendiente.

Los parámetros de depósito de los deslizamientos de tierra como funciones del ángulo de la pendiente se muestran en la Fig. 9.

Parámetros de morfología del depósito de deslizamientos de laboratorio, como se define en la Fig. 3: (a) longitud máxima, (b) anchura máxima, (c) profundidad máxima, (d) área, (e) relación longitud-anchura; y (f) relación circunferencia-área. A 80°–85°, existe un frente secundario que consiste en un depósito de dispersión delgada además del depósito principal (cf. Figs. 5c, 14 y 10c, d).

Las crestas transversales están ampliamente desarrolladas en las superficies de los depósitos a 30°–35° (Fig. 10a). Los que se encuentran en los centros de los depósitos están orientados perpendicularmente a la dirección media del movimiento de los deslizamientos de tierra (dirección del eje x) y los que están en los flancos de los depósitos muestran un ángulo con la dirección x. Estos últimos están más densamente distribuidos que los primeros, no solo en ángulos de pendiente bajos sino también moderados de hasta 55° (Fig. 10b). Los depósitos penetran en forma de lengua en la placa horizontal, aunque sus partes traseras permanecen en la placa inclinada.

Morfologías superficiales de depósitos de deslizamientos de laboratorio en varios ángulos de pendiente: (a) ángulos de pendiente bajos, (b) moderados y (c) altos. (d) Mapas de contorno. El espaciado de la cuadrícula en (a)–(c) es de 5 cm. Los ejes en (d) indican la longitud en mm.

La densidad de las crestas transversales disminuye a 40°–55° (Fig. 10b). Ahora se observan principalmente en los flancos del depósito (ampliados en la Fig. 11), especialmente entre 50° y 55°, y rotan cada vez más en contra de la dirección media del movimiento. Sin embargo, las características de la superficie en forma de X lavada, los llamados canales conjugados (ampliados en la Fig. 11), ahora están ampliamente desarrollados en las superficies del depósito, aunque solo son rudimentarios a 40 °. Se observan principalmente en la parte frontal y central de los depósitos, pero se extienden más y más hacia la parte trasera cuando aumenta el ángulo de la pendiente. Los límites del depósito todavía tienen forma de lengua, pero ya no dejan residuos en la placa inclinada.

Crestas transversales y valles conjugados a 45°.

A 60°–85°, no se observan valles conjugados ni crestas transversales en las superficies del depósito, aunque ahora parece haber formas onduladas tenues (Fig. 10c). Previamente, estos también fueron observados por Roche, et al.43. Además, los depósitos ahora exhiben dos levantamientos pronunciados, especialmente a 75° Fig. 10d), con un valle en el medio. Identificamos una morfología de doble levantamiento similar en nuestro estudio anterior45 y en algunos datos de campo35,46. Los límites frontales de los depósitos principales parecen ser redondos. En general, con el aumento del ángulo de la pendiente, los límites posteriores cambian gradualmente de cónicos a rectos, mientras que los límites frontales cambian gradualmente de forma de lengua a redonda.

Los perfiles de morfología de la línea central exhiben un solo pico a 30°–55° (Fig. 12a,b). La posición longitudinal del centro de gravedad se mueve primero hacia adelante y luego hacia atrás al aumentar el ángulo de inclinación, mientras que su posición vertical disminuye por completo. A 60°–85°, el perfil exhibe dos picos (Fig. 12c, consistente con la Fig. 10c,d, mientras que el centro de gravedad se mueve hacia adelante y hacia abajo (θ = 60°–70°) y luego hacia atrás y hacia arriba (θ = 70°–85°).

Perfiles de morfología de la línea central de los depósitos principales de deslizamientos de laboratorio en diferentes ángulos de pendiente (excluyendo el frente de deposición adicional escasamente disperso a 80°–85°): (a) ángulos de pendiente bajos, (b) moderados y (c) altos. Los centros de gravedad se calculan a partir de los mapas de contorno de la Fig. 10d.

El área ocupada por una masa deslizante es una medida de su rango de influencia47. Nuestros resultados indican que, sin erosión del material de la superficie a lo largo de su trayectoria, el rango de influencia de un deslizamiento de tierra natural está fuertemente limitado por su extensión inicial, incluso cuando se propaga a lo largo de un terreno sin restricciones. En particular, su longitud y área ocupada disminuyen, asociadas a un aumento de la profundidad y por lo tanto del esfuerzo cortante basal, luego de alcanzar sus valores máximos cerca del instante de ruptura del talud.

Las crestas transversales, las depresiones conjugadas y los levantamientos dobles se observan no solo en nuestros experimentos de laboratorio sino también en los deslizamientos de tierra naturales5,21,35,48. Por lo tanto, discutimos su probable origen de formación física obtenido de nuestros experimentos.

Crestas transversales, que se forman en nuestros experimentos de laboratorio para ángulos de pendiente de 30°–55° (Fig. 10a,b), también se observan en el depósito de deslizamientos de tierra naturales, como el deslizamiento de tierra de Luanshibao (Fig. 13a,b,c,d ) con un ángulo de pendiente aproximado de 45° (Tibet Plateau, Sichuan, China; Fig. 13b,c)49. Al igual que en los experimentos, sus crestas transversales en la parte central de su depósito son casi perpendiculares a la dirección media de su movimiento, pero las de sus flancos están rotadas en un ángulo agudo. Se sabe que la formación de las crestas transversales está estrechamente relacionada con el estado de tensión, que es similar a una estructura de empuje en la que la resistencia en la parte delantera y el empuje en la parte trasera actúan mutuamente sobre una masa deslizante18,21,25. Su rotación y mayor densidad en los flancos de la masa deslizante se deben a la menor magnitud de la velocidad y la diferente dirección de la velocidad en relación con su centro50, lo que hace que el material de los flancos esté sujeto a una compresión más fuerte.

Morfología del depósito de deslizamiento de tierra de Luanshibao en la meseta tibetana, Sichuan, China. (a) Imagen del deslizamiento de tierra de Luanshibao (de Google Earth); (b) crestas transversales; (c) valles conjugados; (d) montículos.

El origen físico de las formas onduladas es distinto del de las crestas transversales que se forman en ángulos de pendiente más pequeños a pesar de ser morfológicamente similares. En términos generales, la formación de crestas transversales es un proceso suave con una velocidad de deslizamiento comparativamente pequeña (Fig. 5a y Fig. 14a) y el flujo granular asociado es similar a un líquido. Por el contrario, la formación de formas similares a ondas es un proceso rápido con una velocidad de deslizamiento de tierra comparativamente grande debido al salto inducido por el impacto de la masa deslizante (Fig. 5c y Fig. 14b) y el flujo granular asociado es similar al gas. Además, durante la formación de crestas transversales, el número de Froude \(u/\sqrt {gh}\) (u es la velocidad de la partícula y h es la altura promedio del depósito) es menor que aproximadamente 0,693, lo que indica que la gravedad juega un papel más importante que las fuerzas de inercia. Sin embargo, para las formas ondulatorias, \(u/\sqrt {gh}\) es mayor que aproximadamente 1,291, lo que indica que las fuerzas de inercia desempeñan el papel dominante.

Diagrama esquemático de masas deslizantes en diferentes fases para la formación de crestas transversales (a) y doble levantamiento (b).

Wang, et al.21 y Zhao, et al.25 propusieron diferentes mecanismos para la formación de canales conjugados después de investigaciones in situ. Wang, et al.21 sugirieron que los canales conjugados se forman por compresión paralela al transporte y expansión radial de la masa deslizante. En contraste, Zhao, et al.25 atribuyen su formación a un estado de tensión triaxial de la masa deslizante durante el movimiento. Con base en esta hipótesis, predecimos el ángulo encerrado en los canales en forma de X de la siguiente manera: de acuerdo con el criterio de falla de Mohr-Coulomb, el movimiento granular ocurre cuando una microunidad del depósito falla debido al esfuerzo cortante triaxial \(\left | {\sigma_{1} { - }\sigma_{3} } \right|/2\) superando \(\tan (\varphi ) \times (\sigma_{1} + \sigma_{3} )/2\ ), donde φ es el ángulo de fricción interna del material del depósito y \(\sigma_{1}\) y \(\sigma_{3}\) las tensiones principales máxima y mínima, respectivamente. La dirección de los planos de corte justo en el momento de la falla está inclinada en un ángulo de 45° − φ/2 contra la dirección de \(\sigma_{1}\). Es decir, suponiendo que los canales en forma de X se forman debido a una falla causada por un corte triaxial, el ángulo encerrado en la 'X' debe ser de 90° − φ. Esta predicción es consistente con los ángulos medidos de 54° en nuestros experimentos (φ = 36°) y 50° para el deslizamiento de tierra de Luanshibao49, que consta de un material superficial más resistivo (φ = 40°, Dai, et al.49). Por lo tanto, la proposición de Zhao, et al.25 de que se forman canales conjugados en la superficie del depósito debido a un esfuerzo cortante triaxial está fuertemente respaldada por nuestros experimentos y el deslizamiento de tierra de Luanshibao. Tenga en cuenta que la formación de depresiones durante el deslizamiento de tierra de Luanshibao probablemente esté relacionada con su base licuada5,21, lo que la hace comparable a nuestros experimentos de base de baja fricción. De hecho, en nuestros derrumbes de laboratorio anteriores a lo largo de una base rugosa, así como en la mayoría de los derrumbes naturales, no parecían formarse depresiones. Además, la geometría de la curvatura del deslizamiento de tierra de Luanshibao es bastante suave y no muestra una ruptura repentina de la pendiente. Tales geometrías suaves parecen favorecer la formación de canales en ángulos de pendiente más bajos. El ángulo de pendiente promedio del deslizamiento de tierra de Luanshibao fue de aproximadamente 33° y la pendiente de los experimentos de Shea y van Wyk de Vries16, que también parecen exhibir valles (su Fig. 8J), fue de un promedio de 30°.

La morfología del depósito final se forma debido a una interacción entre nuevas depresiones conjugadas emergentes por nuevas fallas por tensión y depresiones más antiguas que se propagan aguas abajo (Fig. 15). Un video disponible para su formación se muestra en el material complementario.

El proceso de formación de valles conjugados (\(\alpha\) = (90° − φ)/2): evolución (a) y condición de tensión (b) de valles conjugados.

Además, planteamos la hipótesis de que las protuberancias que se forman en la placa inclinada en ángulos de pendiente moderados (Fig. 5b), pero no en ángulos de pendiente bajos y altos, y que posteriormente se propagan sobre y a lo largo de la placa horizontal, son la razón por la cual se forman los canales conjugados. Constituyen obstáculos que obstaculizan el flujo granular a su paso y por lo tanto generan esfuerzos de compresión suficientemente grandes en la dirección media del flujo para que ocurra una falla.

Una morfología de levantamiento múltiple también fue observada por Roche, et al.43 en un experimento de cilindro, quienes liberaron rápidamente arena de un cilindro levantado que posteriormente cayó libremente sobre una placa plana. Para alturas de caída suficientemente grandes, se forman dos o más levantamientos circulares que orbitan el lugar del impacto en diferentes radios. Roche, et al.43 propusieron que esto se debía al impacto de la arena que caía más tarde sobre la arena que ya había llegado a la placa y formaba una superficie erosionable casi inmóvil. Una vez que toda la arena estuvo inmóvil, se distribuyeron crestas y valles alternados a lo largo de la superficie del depósito. Creemos que nuestra morfología de doble levantamiento se formó por una razón análoga, ya que esta morfología era tanto más pronunciada cuanto mayor era el ángulo de la pendiente, es decir, cuanto más se acercaba a una caída libre directamente sobre la placa horizontal. Cuando la parte trasera de la masa deslizante impacta con la parte delantera que ya se ha asentado sobre la placa horizontal, esta última se moverá hacia adelante y formará patrones ondulados (Figs. 5c y 14b). Nótese que en los experimentos de laboratorio de Mangeney, et al.29 y Edwards y Gray28 también se observó un avance similar a una onda del material granular.

Realizamos experimentos de laboratorio de flujo granular basados en un modelo físico con una geometría de deslizamiento de tierra no confinada en una amplia gama de ángulos de pendiente. Los siguientes puntos son las conclusiones principales de estos experimentos:

Los deslizamientos de laboratorio exhiben diferentes características de movimiento en diferentes ángulos de pendiente. En ángulos de pendiente bajos, su movimiento comprende tres etapas: aceleración uniforme, velocidad constante y desaceleración. En ángulos de pendiente moderados, su movimiento también comprende tres etapas: aceleración uniforme, aceleración a un ritmo decreciente y desaceleración. En ángulos de pendiente altos, su movimiento solo comprende dos etapas: aceleración y desaceleración uniformes. La desviación de los deslizamientos de tierra disminuye al aumentar el ángulo de la pendiente.

La longitud y el área de las masas deslizantes aumentan primero y luego disminuyen durante todo su movimiento. Su longitud y área máximas disminuyen al aumentar el ángulo de la pendiente. También hay un ancho máximo de deslizamiento. Una vez que se alcanza, las masas deslizantes se propagan sin más cambios de ancho significativos.

En ángulos de pendiente bajos, las crestas transversales se desarrollan ampliamente en la superficie del depósito resultante debido al empuje excesivo causado por la compresión. En ángulos de pendiente moderados, se forman canales conjugados en forma de X. Un modelo de falla de Mohr-Coulomb predice el ángulo encerrado por la 'X' como 90°−φ, siendo φ el ángulo de fricción interna, de acuerdo con nuestros experimentos y un deslizamiento de tierra natural. Esto apoya fuertemente la especulación de Zhao, et al.25 de que los canales conjugados se forman debido a fallas asociadas con un esfuerzo cortante triaxial y también ofrece una explicación de por qué estos patrones se observan solo en ángulos de pendiente moderados. En ángulos de pendiente altos, los depósitos exhiben una morfología de doble levantamiento, probablemente debido a la estrecha similitud con el régimen de caída libre, para el cual se han observado patrones similares previamente43.

Los datos utilizados para respaldar los hallazgos de este estudio se incluyen en este documento.

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Este estudio no hubiera sido posible sin el apoyo financiero del Fondo Especial para la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China bajo las subvenciones n.º 42177155, 41790442 y 41702298.

Ocean College, Universidad de Zhejiang, Zhoushan, 316021, China

Yan-Bin Wu y Thomas Pähtz

Facultad de Geología y Medio Ambiente, Universidad de Ciencia y Tecnología de Xi'an, 58 Yanta Middle Road, Xi'an, 710054, China

Zhao Duan y Qing Zhang

Laboratorio clave provincial de Shaanxi de soporte geológico para la explotación de carbón verde, Xi'an, 710055, China

Zhao Duan y Qing Zhang

Escuela de Ingeniería Geológica y Geomática, Universidad de Chang'an, Xi'an, 710054, China

Jian Bing Peng

Laboratorio clave de recursos minerales occidentales e ingeniería geológica del Ministerio de Educación, Universidad de Chang'an, Xi'an, 710054, China

Jian Bing Peng

Laboratorio Donghai, Zhoushan, 316021, China

Thomas Pähtz

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Cada autor contribuyó en diferentes partes, aquí enumeradas: Conceptualización: Y.-BW y ZD, Adquisición de fondos: ZD, Realización de experimentos y análisis: Y.-BW, ZD, J.-BP y QZ; Redacción: Y.-BWZD, y TP

Correspondencia a Zhao Duan o Thomas Pähtz.

Los autores declaran que no tienen intereses financieros en competencia ni relaciones personales conocidas que pudieran haber influido en el trabajo informado en este documento.

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Wu, YB., Duan, Z., Peng, JB. et al. Influencia del ángulo de la pendiente en la morfología del depósito y la propagación de deslizamientos de laboratorio. Informe científico 13, 9452 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36554-x

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Recibido: 10 de marzo de 2023

Aceptado: 06 junio 2023

Publicado: 10 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36554-x

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