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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/2237/14294

Title: Experimental studies on earthquake-induced snow avalanches
Other Titles: 地震動が誘発する雪崩の実験的研究
Authors: PODOLSKIY, Evgeny Andreevich
Issue Date: 30-Jun-2010
Other Identifiers: 甲8897
Abstract: It is known that strong ground motions caused by earthquakes can upset the critical balance between stress and strength within the snowpack, thereby inducing catastrophic avalanches. Despite the importance of such events and the large areas of land susceptible to this type of slope failure (3.1% of land area worldwide), the topic of seismic triggers of snow avalanches is not considered in relevant textbooks and the spatial distribution and specifics of the phenomenon has yet to be investigated. To address a gap in the literature regarding the subject of seismogenic avalanches, this work investigates the limited cases occurred during the last 110 years and the consequences and causative mechanisms of such events. For a number of regions worldwide, it was found that the phenomenon of simultaneous massive snow avalanching (up to 2000 largescale avalanches at once) from a number of slopes has been observed in natural environments (4.7 d" Mw d" 9.2) and at large quarries and underground mines where strong artificial ground motions are produced by explosions. Such multiple-avalanche events are not only a hazard: they also can contribute to the mass balance of glaciers and paleo-reconstructions of climatic and environmental history. The response performance of snow under seismic load falls within the general area of snow mechanics. In the present study, a series of cold-laboratory experiments was performed to simulate earthquake-induced failures, examining the stability of snowpack and subjecting the snow to direct or accelerational loadings with the aim of improving our understanding of the poorly studied phenomenon of the effect of loading time on snow strength (i.e., to investigate the influence of various shear-loading rates on a stressed snow pack) and other mechanisms that act to trigger avalanches during earthquakes. The experiments investigated a variety of natural and artificial snow samples (some containing a weak layer) using special experimental apparatus for the progressive shear loading of snow, and specially constructed shaking table with different numbers of degree-of-freedom oscillations and different inclinations. A directly applied shear force was registered with a high-frequency gauge. The results reveal an increase in strength with increased loading time for different snow types, clearly demonstrating the significance of loading time for a variety of processes related to both slow (e.g., snowfall) and rapid short-term dynamical loadings (e.g., earthquakes, skiers). For the experiments with shaking-induced stresses, acceleration in the snow samples was measured using high-frequency sensors, enabling calculation of vibration-induced stresses within the snow at the moment of fracture. A high-speed camera was used to film the different types of fracturing. In all cases, the vibrations caused failure of the snow via fracturing along the weak layer or at the base of the snow sample. A unique condition of failure was observed and quantitatively described, it was caused by unique type of stress within the snow, consisting of a tensile stress oriented perpendicular to the shear plane as a result of a component of acceleration normal to the shear plane (it corresponds to a left-ward shift of the principal stress on the Mohr diagram into tensional stress regime); this stress was responsible for the smaller values of shear strength in the snow and is produced only in association with earthquakes, not with any other natural process related to avalanche triggering. Materials of the present study (including factorial data, new experimental methods, empirical results and theoretical descriptions) demonstrate significant difference between earthquakeinduced snow failures in comparison with other materials (e.g. landslide masses) and contribute to understanding of the rare natural hazard, that can be useful for further considerations related to its study and risk assessment.
地震や鉱山の発破などによる強い地盤の震動は、積雪内部の応力状態と強度のバランスに影響を与え、山岳地では雪崩を誘起することが知られている。こうした雪崩の発生は、全陸域の約3%を占める多雪かつ地震の発生頻度の大きい地域においては非常にリスクの高い災害であるが、その記録は少なく、発生域やメカニズムに関する研究例はこれまで殆ど皆無と言ってもよい。 そこで、本研究では、まず近年における環境変動が地震の発生頻度に影響を与えている可能性を指摘したうえで、過去110 年間に遡って地震および鉱山の発破が原因となったと考えられる雪崩災害事例のレビューを、アメリカ、ロシア、トルコ、インド、日本等を対象に行った。アラスカではマグニチュード9.2 に地震発生に伴ってほぼ同時に約2000 の雪崩が発生し、破断面の高さは2.5 mに達したとの報告もある。こうした大規模なケースでは、自然災害としてばかりでなく、堆積域にある氷河の質量収支や氷河コアによる古気候の復元にも重要な影響を与えることが予想される。 上記のレビューに続いて、地震動による雪崩発生のメカニズムの解明を目的として、-10℃の低温室内において積雪のせん断強度とloading rate の関係を調べる実験を行った。積雪試料としては、密度が158 kg/m3 の新雪から400 kg/m3 のしまり雪に至る6 種類の雪質が用いられた。不凍液を一定の割合で注入することで積雪に作用するせん断応力を増加させ、破壊に至った際の値をロードセルにより記録するとともに、変位をレーザ距離計で測定した。その結果、いずれの試料の場合もひずみ速度に対応するloading rate の減 \とともにせん断強度が増加することが明らかになった。このせん断強度とloading rate の関係、さらに強度の絶対値の相違については、雪粒子間の結合の破壊と積雪内部での焼結の進行速度とのバランスや、その温度、密度、雪質依存性などの観点から多角的な考察が行われた。ちなみに、地震動はひずみ速度の大きいiv(loading rate の大きい)脆性破壊の領域に対応することから、積雪のせん断強度は最も小さくなる。 本研究ではさらに20 cm×30 cm の小型振動台に改良を加え、1 次元と2 次元の振動破壊実験を行った。低温室内で、密度が約100 kg/m3 の雪をより高密な200 kg/m3 の雪で挟み込んだ3 層構造の積雪試料を作成し、これを振動台に貼り付けて約2~7g(g=9.8 ms-2)の加速度と変位(水平:33 mm、垂直14 mm)の振動を与え、主として中央の積雪(弱層)の破壊に着目した実験を実施した。その結果、1 次元の水平振動実験からは、圧縮方向に作用する法線応力(260~760 Pa)とせん断強度(1540~2400 Pa)の関係が、また試料を25 度と30 度に傾斜させて振動させた実験と2 次元の振動実験からは、引張り方向に作用する法線応力 (-50~-450Pa)とせん断強度(850~1290 Pa)の関係が求められた。そして、両者の結果に対して、モール円を用いて積雪内部の応力状態を総合的に考察することで、本積雪試料に対するクーロンの破壊基準の導出に成功し、引張り破壊強度、内部摩擦角、さらに法線応力がゼロのもとでのせん断強度(純せん断強度)が、それぞれ760 Pa、45°、1525 Pa と求められた。低密度の雪は圧縮性による大きな体積塑性を示すため、これまでの測定に用いられた積雪密度は、引張り強度は250 kg/m3 以上、せん断強度においても200 kg/m3 以上と比較的高密度の試料に限定されていた。本実験では、振動実験という動的な手法を採用することで、100 kg/m3 という低密度の雪に対して、変形速度の大きい領域での引張り強度とせん断強度を測定することに初めて成功した。また、従来の測定においては、積雪の引張り強度はせん断強度より大きいという材料科学の常識と矛盾する結果が報告されているが、本研究による引張り強度の値はせん断強度の値より小さいことから、実験手法の正当性も証明されたと言える。 続いて、冬期の典型的な例として、雪崩の発生事例が最も多い傾斜角38°の斜面を対象に、積雪深を1 m、密度を210 kg/m3 とそれぞれ仮定して、上記の破壊基準から地震の加速度に対して雪崩の発生危険度を予測するダイヤグラムを作成した。その結果、約0.65gの地震動でせん断破壊が、また約1.3gに達すると引張り破壊がそれぞれ積雪内部に生じて、雪崩が発生する可能性が示唆された。両者とも非常に大きい加速度の値であるが、尾根や山頂付近では、地震動の加速度が平地に比較して2~10 倍程度増幅されるという報告を考慮すると、発生頻度の高い比較的小規模な地震でも雪崩の発生を誘起する可能性があると推察される。 本研究の成果は、地震動の応力の法線成分が積雪のせん断強度を低下させることに加えて、地震による法線応力が積雪の引張り強度を上回ることで雪崩の発生を誘起する可能性を示唆している。このような積雪の脆弱性に起因する雪崩の発生メカニズムは、地すべりなど他の斜面崩壊には見られないもので、極めてユニークな特徴である。 今後は、せん断強度とloading rate の関係、さらに測定された強度の密度や雪質依存性に関して、更なる測定結果の積み重ねと定量的な議論が必要とされるほか、本研究成果に基づいた地震によって誘起される雪崩のハザードマップの作成、さらには積雪強度と振動数の関係の解明も重要な課題である。
Description: 名古屋大学博士学位論文 学位の種類:博士(理学)(課程) 学位授与年月日:平成22年6月30日
URI: http://hdl.handle.net/2237/14294
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