An experimental study on saturated granular flows and its application to the physical modelling of debris flows

“Flow” in saturated granular materials may describe behaviours that ranges from gently moving sediments in coastal or alluvial situations, through post-liquefaction lateral spreading of sloping ground as triggered by earthquakes and finally, to fast moving mixtures of soil and rock, in the case of mud and debris flows. The present Ph.D. work addresses the study of flows in the context of the high-speed movement of saturated granular materials moving down slope under the influence of gravity. Such flows as occur in nature are termed “debris flows”. This study has been undertaken following two complementary research activities, both using small-scale flumes. The first activity aimed at determining if the well-graded nature of debris flow materials is key to their tendency to travel fast and far before final deposition. A number of tests using soil with different gradations, at a given moisture content, were performed in order to understand the role of particle size in the flow behaviour of granular material. The second, had the objective of developing a novel method, based on the Planar Laser Induced Fluorescence technique and refractive index matching, for the analysis of experimental saturated granular flows in a context of high speed movement and in free surface conditions. Such method allows to investigate the internal behaviour of concentrated granular flows. A number of experiments have been conducted to verify the feasibility of the developed method and the preliminary results of a first series of experiments are presented.

Flussi di materiale granulare saturo, possono comprendere un’ ampia serie di fenomeni (da sedimenti in moto lento in zone costiere o alluvionali fino a miscele di terra e rocce in moto rapido, come colate di fango e debris flow). Il lavoro presentato in questa tesi di dottorato ha l’obiettivo di studiare una particolare classe di flussi granulari, composti da materiale che si muove ad alta velocita’ sotto l’azione dell’accelerazione gravitazionale su pendii ripidi. Questi flussi sono usualmente indicati con il termine inglese “debris flow”. Il lavoro di ricerca si è sviluppato su due attività sperimentali principali, tra loro complementari ma entrambe basate sull’utilizzo di una canaletta da laboratorio. La prima delle attività sviluppate ha avuto la finalità di stabilire quanto la composizione ben gradata dei sedimenti che costituiscono un debris flow possa influenzare la sua tendenza a propagarsi ad alta velocità per grandi distanze. Negli esperimenti condotti sono state utilizzate miscele costituite da particelle di terreno con diverse distribuzioni granulometriche, in modo da riprodurre, su piccola scala e in condizioni controllate, alcuni dei fenomeni che caratterizzano la loro. La seconda attività di ricerca si è focalizzata sullo sviluppo di una tecnica innovativa per lo studio dei flussi granulari saturi in condizioni di “superficie libera” e che si muovono ad alta velocita’. Lo scopo della ricerca e’ quello di analizzare il comportamento all’interno del flusso, ovvero lontano da bordi o pareti trasparenti che possano interagire con il flusso stesso, perturbandone il movimento e compromettendo quindi la dinamica osservata. La metodologia sviluppata si basa sull’applicazione ai flussi granulari di una tecnica nota come “Planar Laser Induced Fluorescence” e sulla selezione di materiali con opportune proprietà ottiche. I test presentati confermano l’applicabilità della tecnica proposta allo studio di questo tipo particolare di fenomeni. Nella tesi vengono anche presentati i risultati preliminari della prima serie di esperimenti realizzati.