Influence de l'angle de pente sur la morphologie des dépôts et la propagation des glissements de terrain en laboratoire

Scientific Reports volume 13, Numéro d’article: 9452 (2023) Citer cet article

Détails des métriques

Les dépôts de glissements de terrain présentent souvent des caractéristiques de surface, telles que des crêtes transversales et des creux conjugués en forme de X, dont les origines de formation physique ne sont pas bien comprises. Pour étudier la morphologie du gisement, les études de laboratoire se concentrent généralement sur la géométrie de glissement de terrain la plus simple: un plan incliné accélérant la masse de glissement immédiatement suivie de sa décélération sur un plan horizontal. Cependant, les expériences existantes n’ont été menées que pour une gamme limitée de l’angle de pente θ. Ici, nous étudions l’effet de θ sur la cinématique et la morphologie des dépôts de glissements de terrain en laboratoire le long d’une base à faible frottement, mesurée à l’aide d’un scanner 3D avancé. À faible θ (30°–35°), on trouve des crêtes transversales formées par surpoussée sur les dépôts de glissements de terrain. À θ modéré (40°–55°), des creux conjugués se forment. Un modèle de défaillance de Mohr-Coulomb prédit que l’angle entouré par les creux en forme de X est de 90° − φ, avec φ l’angle de frottement interne, en accord avec nos expériences et un glissement de terrain naturel. Cela soutient la spéculation selon laquelle des creux conjugués se forment en raison d’une défaillance associée à une contrainte de cisaillement triaxiale. À θ élevé (60°–85°), une morphologie à double bouleversement se forme parce que l’arrière de la masse de glissement impacte l’avant lors de la transition de la pente au plan horizontal. La surface totale des glissements de terrain augmente pendant leur descente, puis diminue pendant leur écoulement.

Les glissements de terrain peuvent être très destructeurs, surtout lorsqu’ils s’épuisent sur de grandes distances en raison de leur grande mobilité1,2,3,4,5,6,7. Outre les enquêtes sur le terrain, on peut étudier leur comportement d’écoulement en construisant des modèles physiques de géométries simplifiées de glissements de terrain et en effectuant des expériences de laboratoire sur ceux-ci8,9,10,11,12. La morphologie du dépôt d’un glissement de terrain est particulièrement intéressante, car elle transmet des informations sur les processus granulaires qui ont été à l’œuvre lors de son glissement.

Des expériences antérieures sur des modèles physiques13,14,15,16,17,18,19,20 et des enquêtes sur le terrain16,17,21,22,23 ont révélé différentes morphologies de dépôts de glissements de terrain et leur origine physique. Par exemple, la formation de digues a été liée à des zones statiques près des limites latérales des écoulements granulaires secs non confinés24. Il est également largement admis que les crêtes transversales courantes, formant perpendiculairement à la direction de l’écoulement, sont des caractéristiques de surface liées à la compression17,18,21. Cependant, l’origine physique des creux conjugués (c’est-à-dire des structures de surface en forme de X caractéristique), observée à la surface de certains dépôts de glissements de terrain importants, est moins claire. Sur la base d’études sur le terrain, Wang et al.21 et Zhao, et al.25 ont émis l’hypothèse qu’ils se forment par l’interaction entre la compression parallèle au transport et l’étalement radial ou latéral pendant le ruissellement d’un glissement de terrain, ce dernier donnant lieu à une contrainte de cisaillement triaxiale. Si cette hypothèse était vraie, cela impliquerait que le degré d’accélération initiale du glissement de terrain joue un rôle crucial dans le processus de formation, puisque la compression pendant le ruissellement d’un glissement de terrain est le résultat de sa décélération soudaine lors de sa transition de la pente initiale au terrain de ruissellement beaucoup plus plat. Cela suggère à son tour que l’angle de pente initiale est un paramètre clé contrôlant l’apparition de creux conjugués. L’un des objectifs de cet article est de tester cette hypothèse au moyen d’expériences sur modèle physique.

Alors que de nombreuses études antérieures en laboratoire portaient sur les géométries à plan incliné10,26,27,28,29,30,31,32,33, seules quelques-unes ont étudié les géométries des glissements de terrain, c’est-à-dire une transition soudaine17,18,34 ou lisse12,16 d’un plan incliné à un terrain beaucoup plus plat. Cependant, la plupart de ces dernières études se sont concentrées sur la dynamique des glissements de terrain plutôt que sur la morphologie des dépôts. La seule exception est Shea et van Wyk de Vries16, qui n’ont étudié que la morphologie du gisement, bien qu’ils n’aient pas identifié de creux conjugués. En outre, toutes les études de laboratoire antérieures basées sur une géométrie de glissement de terrain n’ont pas pris en compte une large gamme d’angles de pente.

Ici, nous menons des expériences de laboratoire basées sur une géométrie de glissement de terrain, avec des angles de pente variant entre 30° et 85°. Il convient de noter que des écoulements granulaires dont les angles de pente se situent entre 70° et 90° se produisent effectivement dans la nature, comme dans les avalanches de falaises et les coulées de craie dans les zones côtières19,35. Pour enregistrer l’évolution du glissement de terrain, nous utilisons deux caméras haute vitesse et un scanner 3D avancé.

Nos expériences se concentrent à la fois sur la dynamique des glissements de terrain et sur la morphologie des dépôts, en particulier les creux conjugués. Nos objectifs sont les suivants : (1) explorer les variations des paramètres et des états de mouvement des glissements de terrain avec l’angle de pente; 2° déterminer l’influence de l’angle de pente sur la morphologie des dépôts et identifier les mécanismes physiques à l’origine de la formation des caractéristiques de surface, notamment des creux conjugués; (3) explorer l’évolution temporelle de la longueur, de la largeur et de la surface des masses glissantes pendant tout leur mouvement.

Une expérience de bac à sable est réalisée pour étudier le processus de mouvement et la morphologie des dépôts des glissements de terrain en laboratoire (Fig. 1). Le plexiglas est utilisé pour construire les dispositifs expérimentaux, qui étaient composés de cinq parties: une plaque inclinée, une plaque horizontale, un conteneur de sable, un scanner 3D et deux caméras haute vitesse. Une paire de pistes de bac à sable est placée sur la plaque inclinée pour ajuster la hauteur du bac à sable. Les longueurs de la plaque inclinée et de la plaque horizontale sont de 1,5 m et leurs largeurs sont de 1,2 m. L’angle de pente peut varier entre 30° et 90°. Un système de coordonnées est défini à la Fig. 1, dans lequel x désigne la direction du mouvement moyen d’un glissement de terrain et z la direction verticale orientée vers le haut. Le volume fixe du bac à sable est \(3.6 \times {10}^{-3}\) m3. Il se compose d’une porte qui peut être rapidement ouverte pour libérer le sable. Un scanner tridimensionnel (3D) (F6 Smart, MANTIS VISIONS) fonctionne à 8 images/s et une résolution de 1,3 mégapixel. Il obtient des données de coordonnées 3D de la surface supérieure avec une précision de 0,1 mm pendant tout le processus de mouvement de glissement de terrain. Il se compose de trois lentilles: une en bas qui émet de la lumière proche infrarouge (NIR) vers la masse coulissante et deux lentilles en haut, une recevant la lumière NIR réfléchie vers le dos et une qui peut produire des images colorées. Les données NIR reçues sont transformées en données nuageuses 3D de la morphologie de surface. Les données 3D sont produites selon les principes de la parallaxe stéréoscopique et de la télémétrie triangulaire active13,14,36. Deux caméras haute vitesse (60 images/s, résolution de 0,4 mégapixel) sont utilisées pour collecter des images à la fin de chaque expérience. L’un est placé sur une étagère mobile pour appareil photo, ce qui permet de prendre des photos de dépôt à partir d’une vue d’oiseau. L’autre est fixé à l’avant de la plaque horizontale, avec une vue horizontale.

Appareil utilisé pour les expériences sur modèle physique.

Du sable de quartz moyennement fin (encart de la Fig. 2) est utilisé comme matériau de glissement de terrain. Sa distribution granulométrique (Fig. 2) présente une moyenne de 0,18 mm, un coefficient impair de \(C_{{\text{u}}} = D_{60} /D_{10} { = }2,39\), et un coefficient de courbure de \(C_{{\text{c}}} = D_{30}^{2} /(D_{60} D_{10} ){ = }1,19\), où Dn indique la taille que n% de particules ne dépassent pas. La surface des particules par unité de masse est de 0,02 m2 kg−1, et l’angle de frottement interne du sable φ est de 36°, mesuré par des essais de cisaillement direct37,38. Le coefficient de frottement de l’interface entre la plaque et le sable est de 0,42.

Distribution granulométrique du matériau expérimental (encart : image du sable de quartz mi-fin).

Avant chaque expérience, la plaque inclinée, la plaque horizontale et l’intérieur du bac à sable sont essuyés avec un liquide résistant à l’électrostatique. Une fois le liquide séché, le sable est rempli dans le bac à sable en trois étapes distinctes, interrompues par un compactage pour assurer l’uniformité. Le bac à sable est ensuite fermé par une porte qui peut être rapidement ouverte au début de chaque expérience (Fig. 1). Le bac à sable complètement rempli, contenant 3,6 \(\times\) 10–3 m3 de volume de sable d’une masse de 5,4 kg, est placé de telle sorte que sa hauteur initiale au centre de masse soit de 0,7 m dans chaque expérience, en ajustant une paire de pistes (Fig. 1).

Sept essais d’étalonnage sur une pente de 50° sont effectués pour quantifier les erreurs aléatoires dans les expériences. Ensuite, les expériences réelles sont menées pour des angles de pente variant de 30° à 85° à des intervalles de 5°. Toutes les expériences sont effectuées au moins deux fois et les paramètres morphologiques, c’est-à-dire la longueur maximale du dépôt, la largeur et la profondeur, la zone de dépôt, le rapport longueur-largeur et le rapport circonférence-surface, sont notés (Fig. 3). Si la différence de l’un de ces paramètres entre les deux essais par rapport à la moyenne des deux essais est supérieure à la valeur respective des expériences d’étalonnage (Fig. 4), une troisième expérience est effectuée. Ensuite, les deux des trois expériences sont sélectionnées qui présentent la plus petite différence entre elles.

Schéma de la morphologie des dépôts de nos glissements de terrain de laboratoire : Lm = longueur maximale (la longueur projetée de la partie la plus arrière à la partie avant sur le plan x-o-y) ; Wm = largeur maximale; Dm = profondeur maximale; A = surface projetée sur le plan horizontal; C = circonférence du dépôt; θ = angle de pente; H = hauteur de l’escarpement du bac à sable; Hc = hauteur du centre de masse du bac à sable; L = distance de sortie; Li, Wi, Ai = longueur, largeur et surface de masse de glissement pendant son mouvement.

Expériences d’étalonnage. Un cercle correspond à une mesure pour une course donnée et les diamants à la moyenne sur tous les cercles. Les lignes noires visualisent grossièrement la distribution.

La morphologie des masses glissantes varie avec le temps et l’angle de pente. Cependant, le comportement qualitatif global tend à être similaire pour chacun des intervalles d’angle de pente 30°–35°, 40°–55° et 60°–85°. Par conséquent, les instantanés de glissements de terrain à 30°, 50° et 80° sont présentés comme des cas représentatifs (Fig. 5). A 30°, le glissement de terrain se propage sous la forme d’une masse mince et relativement uniforme de largeur presque constante et laisse un dépôt sur la plaque inclinée (Fig. 5a). A 50°, la masse de glissement s’étale latéralement tout en se propageant vers le bas, comme un ventilateur. Son profil d’épaisseur lors de la propagation sur la plaque inclinée est inégal, avec des bosses clairement visibles autour de l’axe et moins de sable sur les flancs. Cependant, il ne laisse presque aucun dépôt sur la plaque inclinée (Fig. 5b). À 80°, la dilatation en forme d’éventail sur la plaque inclinée diminue à mesure que la masse de glissement tombe presque librement. Son profil d’épaisseur sur la plaque inclinée est très inégal (Fig. 5c). De plus, une couche mincement étalée se forme devant le dépôt principal (non prise en compte lors de la mesure des ruissellements) en raison d’un impact secondaire de la masse de glissement par l’arrière39,40.

Processus de mouvement des glissements de terrain en laboratoire à des angles de pente de (a) 30°; b) 50° et c) 80°.

Le ruissellement (L, défini comme dans la Fig. 3) diminue linéairement avec l’angle de pente θ: \(L = ( - 19,58\thêta /^\circ + 2103,49)\) mm (Fig. 6).

Sortie des glissements de terrain en laboratoire à différents angles de pente.

Le déplacement d’une masse de glissement est défini comme la différence entre sa position avant et sa position de départ, qui est le fond du bac à sable. Sa première et sa deuxième dérivée après le temps sont respectivement sa vitesse et son accélération. De plus, la durée de propagation du front de glissement de terrain est définie en fonction du moment où le front de la masse de glissement cesse de bouger. Les quatre paramètres dynamiques sont représentés à la Fig. 7. À 30°–35°, le glissement de terrain présente trois étapes : accélération uniforme, vitesse constante et décélération, conformément aux études de laboratoire antérieures à faible inclinaison10,41,42. Les deux premières étapes ont lieu avant que la masse glissante ne rencontre la rupture de pente (indiquée par des flèches et des lignes pointillées verticales). À 40°–55°, l’étape d’accélération peut être divisée en une étape d’accélération uniforme et, moins prononcée mais toujours perceptible, une étape d’accélération à un taux décroissant. À 60°–85°, les glissements de terrain atteignent leur vitesse maximale pendant la phase d’accélération uniforme, puis entrent presque immédiatement dans une phase de décélération lorsque leurs fronts rencontrent la rupture de pente. Cependant, à 80°–85°, un bref épisode d’accélération secondaire se produit pendant la phase de décélération. Ce phénomène est étroitement lié aux ondes mises en évidence dans la Fig. 5c, qui se forment en raison de l’impact de la partie arrière de la masse coulissante sur le dépôt qui s’est déjà accumulé sur la plaque horizontale. Ensuite, cette partie arrière sautera sur le dépôt principal et formera la couche frontale secondaire finement étalée.

Évolution temporelle des paramètres dynamiques pour différents angles de pente. Les flèches orange et les lignes pointillées verticales indiquent l’instant où une masse glissante arrive à la rupture de pente (encadré: la durée avant des glissements de terrain et le moment où ils atteignent la rupture de pente).

En général, les étapes alternées d’accélération et de décélération sont des signatures de fluctuations de contraintes et ont déjà été observées précédemment par Roche, et al.43 et Bachelet, et al.44.

La longueur, la largeur et la surface d’une masse de glissement sont définies comme indiqué à la Fig. 3. La longueur et la surface ont tendance à augmenter de moins en moins rapidement avec le temps et finissent même par diminuer (Fig. 8), bien qu’il n’y ait presque pas de diminution de la surface pour les grands angles de pente θ \(>\approx\) 60°. Au cours de l’augmentation, le taux de changement de longueur ou de surface est positivement corrélé avec l’angle de pente, tandis que la longueur ou la surface maximale présente une corrélation négative. Il est intéressant de noter que les valeurs maximales de longueur et de surface pour θ \(>\approx\) 60° ne dépendent presque pas de l’angle de pente.

Evolution temporelle des paramètres morphologiques à différents angles de pente. Les lignes pointillées indiquent que le front du glissement de terrain atteint les ruptures de pente (cf. Fig. 7).

L’évolution temporelle de la largeur de la masse de glissement passe par trois étapes distinctes. Dans la première étape, la largeur est à peu près égale à la largeur du bac à sable. Dans la deuxième étape, la largeur augmente jusqu’à son maximum (à savoir, la largeur maximale du dépôt), avec un taux croissant rapide à 50°–75°, mais avec un taux croissant relativement faible aux autres angles de pente. Dans la troisième étape, la masse de glissement avance sans modifier de manière significative sa largeur maximale.

L’encart de la Fig. 8 représente la relation entre la durée de propagation des glissements de terrain, définie en fonction de l’instant où tout le mouvement s’arrête partout (par opposition à seulement le front dans l’encart de la Fig. 7), et l’angle de pente.

Les paramètres de dépôt des glissements de terrain en fonction de l’angle de pente sont représentés à la Fig. 9.

Paramètres morphologiques des dépôts de glissements de terrain en laboratoire, tels que définis à la Fig. 3: a) longueur maximale, b) largeur maximale, c) profondeur maximale, d) surface, e) rapport longueur-largeur; et f) le rapport circonférence-surface. À 80°–85°, un front secondaire constitué de dépôts faiblement étalés existe en plus du gisement principal (cf. figures 5c, 14 et 10c,d).

Les crêtes transversales sont largement développées à la surface des dépôts à 30°–35° (Fig. 10a). Ceux des centres de dépôt sont orientés perpendiculairement à la direction moyenne du mouvement des glissements de terrain (direction de l’axe des x) et ceux sur les flancs du gisement présentent un angle par rapport à la direction x. Ces derniers sont plus densément répartis que les premiers, non seulement à des angles de pente bas mais aussi à des angles de pente modérés allant jusqu’à 55° (Fig. 10b). Les dépôts en forme de langue pénètrent dans la plaque horizontale, bien que leurs arrières restent sur la plaque inclinée.

Morphologies de surface des dépôts de glissements de terrain en laboratoire à différents angles de pente: (a) faibles, (b) modérés et (c) angles de pente élevés. d) Cartes des courbes de niveau. L’espacement des grilles en (a) à (c) est de 5 cm. Les axes en (d) indiquent la longueur en mm.

La densité des crêtes transversales diminue de 40°–55° (Fig. 10b). Ils sont maintenant principalement observés sur les flancs du gisement (élargis sur la Fig. 11), en particulier à 50°–55°, et sont de plus en plus tournés dans le sens moyen du mouvement. Cependant, les caractéristiques de surface lavées en forme de X, appelées auges conjuguées (agrandies sur la Fig. 11), sont maintenant largement développées sur les surfaces de dépôt, bien que seulement rudimentaires à 40°. Ils sont principalement observés à l’avant et au centre des dépôts, mais s’étendent de plus en plus vers l’arrière lorsque l’angle de pente augmente. Les limites du dépôt sont toujours en forme de langue, mais ne laissent plus de restes sur la plaque inclinée.

Crêtes transversales et creux conjugués à 45°.

À 60°–85°, ni creux conjugués ni crêtes transversales ne sont observés sur les surfaces des dépôts, bien qu’il semble maintenant y avoir de faibles formes ondulatoires (Fig. 10c). Auparavant, ceux-ci ont également été observés par Roche et al.43. De plus, les dépôts présentent maintenant deux bouleversements prononcés, en particulier à 75° Fig. 10d), avec une vallée entre les deux. Nous avons identifié une morphologie similaire de double bouleversement dans notre étude précédente45 et dans certaines données de terrain35,46. Les limites antérieures des principaux gisements semblent être rondes. Dans l’ensemble, avec l’augmentation de l’angle de pente, les limites arrière passent progressivement de coniques à droites, tandis que les limites avant passent progressivement de la languette à la ronde.

Les profils morphologiques centraux présentent un seul pic à 30°–55° (Fig. 12a,b). La position longitudinale du centre de gravité se déplace d’abord vers l’avant puis vers l’arrière avec un angle de pente croissant, tandis que sa position verticale diminue partout. À 60°–85°, le profil présente deux pics (Fig. 12c, compatible avec la Fig. 10c,d, tandis que le centre de gravité se déplace vers l’avant et vers le bas (θ = 60°–70°), puis vers l’arrière et vers le haut (θ = 70°–85°).

Profils morphologiques centraux des dépôts principaux de glissements de terrain en laboratoire à différents angles de pente (à l’exclusion du front de dépôt supplémentaire faiblement étalé à 80°–85°): a) angles de pente faibles, b) modérés et c) élevés. Les centres de gravité sont calculés à partir des cartes de contour de la Fig. 10d.

La surface occupée par une masse glissante est une mesure de son amplitude d’influence47. Nos résultats indiquent que, sans érosion des matériaux de surface le long de son parcours, la portée d’influence d’un glissement de terrain naturel est fortement limitée par son extension initiale, même lorsqu’il se propage le long d’un terrain non restreint. En particulier, sa longueur occupée et sa surface diminuent, associées à une augmentation de la profondeur et donc de la contrainte de cisaillement basal, après avoir atteint leurs valeurs maximales près de l’instant de rupture de pente.

Des crêtes transversales, des creux conjugués et des doubles bouleversements sont observés non seulement dans nos expériences de laboratoire, mais aussi pour les glissements de terrain naturels5,21,35,48. Nous discutons donc de leur origine probable de formation physique glanée à partir de nos expériences.

Des crêtes transversales, se formant dans nos expériences de laboratoire pour des angles de pente de 30°–55° (Fig. 10a,b), sont également observées sur le dépôt de glissements de terrain naturels, tels que le glissement de terrain de Luanshibao (Fig. 13a,b,c,d) avec un angle de pente approximatif de 45° (Tibet Plateau, Sichuan, Chine; Figue. 13b,c)49. Comme dans les expériences, ses crêtes transversales sur sa partie centrale de son gisement sont presque perpendiculaires à sa direction de mouvement moyenne, mais celles de ses flancs sont tournées d’un angle aigu. On sait que la formation des crêtes transversales est étroitement liée à l’état de contrainte, qui est similaire à une structure de poussée dans laquelle la résistance à l’avant et la poussée à l’arrière agissent mutuellement sur une masse de glissement18,21,25. Leur rotation et leur densité plus élevée sur les flancs de la masse de glissement sont dues à l’amplitude de vitesse plus faible et à la direction de vitesse différente par rapport à son centre50, ce qui fait que son matériau sur les flancs est soumis à une compression plus forte.

Morphologie du gisement de glissement de terrain de Luanshibao dans le plateau tibétain, Sichuan, Chine. a) Image du glissement de terrain de Luanshibao (tirée de Google Earth); b) crêtes transversales; c) auges conjuguées; d) hummocks.

L’origine physique des formes ondulatoires est distincte de celle des crêtes transversales se formant à des angles de pente plus petits, bien qu’elles soient morphologiquement similaires. D’une manière générale, la formation de crêtes transversales est un processus doux avec une vitesse de glissement de terrain comparativement faible (Fig. 5a et Fig. 14a) et l’écoulement granulaire associé est liquide. En revanche, la formation des formes ondulatoires est un processus rapide avec une vitesse de glissement de terrain comparativement grande due au saut de masse de glissement induit par l’impact (Fig. 5c et Fig. 14b) et le flux granulaire associé est semblable à un gaz. De plus, lors de la formation des crêtes transversales, le nombre de Froude \(u/\sqrt {gh}\) (u est la vitesse des particules, et h est la hauteur moyenne du dépôt) est inférieur à environ 0,693, ce qui indique que la gravité joue un rôle plus important que les forces d’inertie. Cependant, pour les formes ondulatoires, \(u/\sqrt {gh}\) est supérieur à environ 1,291, ce qui indique que les forces d’inertie jouent le rôle dominant.

Schéma de principe des masses de glissement à différentes phases pour la formation de crêtes transversales (a) et de double bouleversement (b).

Wang, et al.21 et Zhao, et al.25 ont proposé différents mécanismes pour la formation de creux conjugués à la suite d’études in situ. Wang et coll.21 ont suggéré que les creux conjugués sont formés par compression parallèle au transport et par étalement radial de la masse de glissement. En revanche, Zhao et al.25 attribuent leur formation à un état de contrainte triaxiale de la masse de glissement pendant le mouvement. Sur la base de cette hypothèse, nous prédisons l’angle enfermé dans les creux en forme de X comme suit: Selon le critère de défaillance de Mohr-Coulomb, le mouvement granulaire se produit lorsqu’une micro-unité du dépôt cède en raison de la contrainte de cisaillement triaxiale \(\left| {\sigma_{1} { - }\sigma_{3} } \right|/2\) surmontant \(\tan (\varphi ) \times (\sigma_{1} + \sigma_{3} )/2\), où φ est l’angle de frottement interne du matériau de dépôt et \(\sigma_{1}\) et \(\sigma_{3}\) les contraintes principales maximales et minimales, respectivement. La direction des plans de cisaillement juste à la rupture est inclinée d’un angle de 45° − φ/2 par rapport à la direction de \(\sigma_{1}\). Autrement dit, en supposant que les creux en forme de X se forment en raison d’une défaillance causée par le cisaillement triaxial, l’angle enfermé dans le « X » devrait être de 90° − φ. Cette prédiction est cohérente avec les angles mesurés de 54° dans nos expériences (φ = 36°) et de 50° pour le glissement de terrain de Luanshibao49, qui consiste en un matériau de surface plus résistif (φ = 40°, Dai, et al.49). Par conséquent, la proposition de Zhao et al.25 selon laquelle les creux conjugués à la surface du dépôt se forment en raison d’une contrainte de cisaillement triaxiale est fortement soutenue par nos expériences et le glissement de terrain de Luanshibao. Notez que la formation de creux lors du glissement de terrain de Luanshibao est probablement liée à sa base liquéfiée5,21, ce qui la rend comparable à nos expériences de base à faible frottement. En fait, dans nos précédents glissements de terrain en laboratoire le long d’une base rugueuse, ainsi que dans la plupart des glissements de terrain naturels, les creux ne semblaient pas se former. De plus, la géométrie de courbure du glissement de terrain de Luanshibao est plutôt lisse et ne présente pas de rupture de pente soudaine. De telles géométries lisses semblent favoriser la formation de creux à des angles de pente inférieurs. L’angle moyen de pente du glissement de terrain de Luanshibao était d’environ 33° et la pente des expériences de Shea et van Wyk de Vries16, qui semblent également présenter des creux (leur Fig. 8J), était à un angle moyen de 30°.

La morphologie finale du gisement se forme en raison d’une interaction entre les nouveaux creux conjugués émergents par de nouvelles ruptures de contrainte et les creux plus anciens se propageant en aval (Fig. 15). Une vidéo disponible pour leur formation montre dans le matériel supplémentaire.

Le processus de formation des creux conjugués (\(\alpha\) = (90° − φ)/2): évolution (a) et condition de contrainte (b) des creux conjugués.

En outre, nous émettons l’hypothèse que les bosses se formant sur la plaque inclinée à des angles de pente modérés (Fig. 5b), mais pas à des angles de pente bas et hauts, et se propageant ensuite sur et le long de la plaque horizontale sont la raison pour laquelle des creux conjugués se forment. Ils constituent des obstacles qui entravent l’écoulement granulaire dans leur sillage et génèrent ainsi des contraintes de compression suffisamment importantes dans la direction moyenne de l’écoulement pour qu’une défaillance se produise.

Une morphologie multi-bouleversement a également été observée par Roche, et al.43 dans une expérience de cylindre, qui a rapidement libéré du sable d’un cylindre soulevé qui est ensuite tombé librement sur une plaque plate. Pour des hauteurs de chute suffisamment grandes, deux ou plusieurs bouleversements circulaires en orbite autour du lieu d’impact à des rayons différents se sont formés. Roche et al.43 ont proposé que cela était dû à l’impact de la chute ultérieure de sable sur le sable qui avait déjà atteint la plaque et formé une surface érodable presque immobile. Une fois que tout le sable était immobile, des crêtes et des creux alternés ont été répartis à la surface du dépôt. Nous pensons que notre morphologie de double bouleversement s’est formée pour une raison analogue, puisque cette morphologie était d’autant plus prononcée que l’angle de pente était grand, c’est-à-dire plus proche d’une chute libre directement sur la plaque horizontale. Lorsque la partie arrière de la masse coulissante heurte la partie avant qui s’est déjà déposée sur la plaque horizontale, cette dernière va bondir vers l’avant et former des motifs ondulés (Fig. 5c et 14b). Notez qu’une vague similaire déferlant vers l’avant du matériau granulaire a également été observée dans les expériences de laboratoire par Mangeney, et al.29 et Edwards et Gray28.

Nous avons mené des expériences d’écoulement granulaire en laboratoire basées sur un modèle physique avec une géométrie de glissement de terrain non confiné à une large gamme d’angles de pente. Les points suivants sont les principaux points à retenir de ces expériences:

Les glissements de terrain en laboratoire présentent différentes caractéristiques de mouvement à différents angles de pente. À faible angle de pente, leur mouvement comprend trois étapes: accélération uniforme, vitesse constante et décélération. À des angles de pente modérés, leur mouvement comprend également trois étapes: accélération uniforme, accélération à un taux décroissant et décélération. Aux angles de pente élevés, leur mouvement ne comprend que deux étapes: l’accélération uniforme et la décélération. Le ruissellement des glissements de terrain diminue avec l’augmentation de l’angle de pente.

La longueur et la surface des masses de glissement augmentent d’abord, puis diminuent pendant tout leur mouvement. Leur longueur maximale et leur surface diminuent avec l’augmentation de l’angle de pente. Il y a aussi une largeur maximale de glissement de terrain. Une fois atteint, les masses glissantes se propagent sans autres changements significatifs de largeur.

À faible angle de pente, les crêtes transversales sont largement développées à la surface du dépôt résultant en raison de la poussée excessive causée par la compression. À des angles de pente modérés, des creux conjugués en forme de X se forment. Un modèle de défaillance de Mohr-Coulomb prédit que l’angle entouré par le « X » est de 90°−φ, avec φ l’angle de frottement interne, en accord avec nos expériences et un glissement de terrain naturel. Cela soutient fortement la spéculation de Zhao et al.25 selon laquelle des creux conjugués se forment en raison d’une défaillance associée à une contrainte de cisaillement triaxiale et explique également pourquoi ces modèles ne sont observés qu’à des angles de pente modérés. Aux angles de pente élevés, les dépôts présentent une morphologie à double bouleversement, probablement en raison de la similitude étroite avec le régime de chute libre, pour lequel des schémas similaires ont été observés précédemment43.

Les données utilisées pour appuyer les conclusions de cette étude sont incluses dans le présent document.

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Cette étude n’aurait pas été possible sans le soutien financier du Fonds spécial de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine dans le cadre des subventions nos 42177155, 41790442 et 41702298.

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Jian-Bing Peng

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Thomas Pähtz

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Chaque auteur a contribué à différentes parties, énumérées ici: Conceptualisation: Y.-B.W. et Z.D., Acquisition de financement: Z.D., Réalisation d’expériences et d’analyses: Y.-B.W., Z.D., J.-B.P. et Q.Z.; Rédaction : Y.-B.W. Z.D., et T.P.

Correspondance avec Zhao Duan ou Thomas Pähtz.

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents connus ou de relations personnelles qui auraient pu sembler influencer le travail rapporté dans cet article.

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Wu, YB., Duan, Z., Peng, JB. et al. Influence de l’angle de pente sur la morphologie des dépôts et la propagation des glissements de terrain en laboratoire. Sci Rep 13, 9452 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36554-x

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Reçu: 10 mars 2023

Acceptée: 06 juin 2023

Publication : 10 juin 2023

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

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