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Direct Simple Shear Tests on Snow and their Relation to Slab Avalanche Formation

Published online by Cambridge University Press:  07 February 2018

David M. McClung*
Affiliation:
Norges Geotekniske Institutt, P.O. Box 40, Tåsen, Oslo 8, Norway
Rights & Permissions [Opens in a new window]

Abstract

Many slab avalanches can be attributed to shear failure in a weak, thin basal layer at the slab base. A reasonable starting point for evaluation of the conditions prior to fracture is, therefore, an investigation of shear failure in thin samples of snow. This paper gives the experimental procedure and data on measurements of shear stress versus displacement for thin samples of snow under plane strain and approximately simple shear conditions. The data are given under varying conditions of strain-rate, normal stress, density and snow type. The results show that the samples exhibited strain-softening provided they were sheared faster than they gained strength by settlement under the chosen conditions. If snow fails at the base of a slab in the way in which it fails in the laboratory, then a mechanism is provided whereby tensile stresses would be produced in the slab and whereby the corresponding maximum principal stresses would be rotated toward a direction parallel to the slope, thereby promoting avalanche release.

Résumé

Résumé

Tests simples directs de cisaillement dans la neige et leur relations avec la formation des avalanches de plaque. De nombreuses avalanches de plaque de neige semblent étre dues à la rupture au cisaillement d'une couche mince basale, de faible résistance, à la base de la plaque de neige. Un point de depart raisonnable pour l'évaluation des conditions qui précèdent une avalanche est done l'étude de la rupture au cisaillement dans de minces échantillons de neige. Cet article présente la procédure expérimentale et les résultats de mesures de la contrainte de cisaillement en fonction du déplacement dans de minces échantillons de neige pour des conditions de cisaillement simple et de déformation plane. Les résultats sont présentés pour diverses valeurs du taux de déformation, de la contrain te normale, de la densité et du type de neige. Les resultats indiquent que les échantillons exhibent un comportement de ramolissement lorsqu'ils sont cisaillés plus rapidement qu'ils ne gagnent de resistance du a la consolidation. Si la neige se rompt à la base déune plaque de neige comme elle le fait dans le laboratoire, des contraintes detraction sont produites dans la plaque de neige et les contraintes principales maximales correspondantes sont tournées dans la direction parallèle à la pente, favorisant ainsi le déclenchement d'une avalanche.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Unmittelbare, einfache Scherversuche an Schnee und ihre Beziehung zur Bildung von Schneebrett-Lawinen. Viele Schneebrettlawinen sch einen durch ein Sch erversagen in einer schwachen, dünnen Schicht am Grunde des Brettes verursacht zu sein. Ein vernénftiger Ausgangspunkt fér die Untersuchung der Verhältnisse vor dem Bruch ist deshalb das Studium des Scherversagens in dünnen Schneeproben. Die vorliegende Arbeit gibt das Vorgehen und experimentelle Daten für Messungen der Scherspannung gegenüber der Verlagerung an dünnen Schneeproben unter einfacher Scherung und ebener Spannung. Die Daten beziehen sich aufverschiedene Verformungsraten, Normalspannungen, Dichten und Schneearten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Proben unter der Spannung nachgeben, sofern sie schneller geschert werden, als ihre Festigkeit durch Setzung unter den gewahlten Verhaltnissen zunimmt. Wenn Schnee am Grunde eines Brettes so nachgibt wie im Laborversuch, ergibt sich ein Mechanismus, durch den Zugspannungen im Brett entstehen und die entsprechenden maximalen Hauptspannungen in eine Richtung parallel zur Hangneigung eingedreht würden, wodurch wiederum die Lawine ausgelöst würde.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1977
Figure 0

Fig 1. Diagram of direct simple-shear apparatus. 1. Dial gauges for measurement of horizontal and vertical displacement. 2. Vertical load applied to a top cap over sample. 3. Sample surrounded by reinforced rubber membrane. 4. Load gauge for horizontal force. 5. Gear box containing exchangeable servogear motor.

Figure 1

Table I. Parameters derived from the tests on the specimens

Figure 2

Fig. 2. Typical curves of shear stress versus horizontal displacement and vertical displacement versus horizontal displacement for a sample exhibiting strain hardming (sample number 33). Snow properties and test conditions are listed in Table I.

Figure 3

Fig. 3. Typical curves of shear stress versus horizontal displacement and vertical displacemmt versus horizontal displacement for a sample exhibiting strain softening (sample number 30). Snow properties and test conditions are listed in Table I.

Figure 4

Fig. 4. Estimates of peak shear stress and residual shear stress versus applied normal stress for a group of similar samples. (The numbers near the “peak” data points indicate the sample number.)

Figure 5

Fig. 5. Shear stress versus horizontal displacement and vertical displacement versus horizontal displacement for two similar samples of low density and very sift in situ hardness sheared at different rates. (Numbers near the curves indicate the sample number.)

Figure 6

Fig. 6. Schematic of the basal shear stress conditions as a function of distance for a mature slab avalanche with a weak layer exhibiting strain softening. Gravitational body shear stress, peak shear stress and residual shear stress are denoted by τg, τp, τr.