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Snow Stability Index

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

H. Conway
Affiliation:
Department of Chemical and Process Engineering, University of Canterbury, Private Bag, Christchurch, New Zealand
J. Abrahamson
Affiliation:
Department of Chemical and Process Engineering, University of Canterbury, Private Bag, Christchurch, New Zealand
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Abstract

Field tests have been developed to measure the shear and tensile strengths of large volumes of snow. Basal shear strengths were measured across and down some slabs of snow, giving highly variable strengths. These measurements support the idea that the basal region of an avalanche may contain zones where the basal shear strength exceeded the gravitational shear stress (i.e. pinning areas) with weak zones between (deficit areas) where the shear strength was less than the gravitational shear stress. The slab tensile stresses induced by these deficit areas would become high if either the deficit length (down-slope) was large, or the deficit itself was large. Measurements of tensile strengths of slabs above weak layers, together with the down-slope gravitational stress of a snow slab, suggest that deficit lengths of only several metres are often sufficient to cause a local tensile failure. In some cases, this local failure may propagate across the remainder of the slope (depending on the pinning distribution) and cause an avalanche. We propose that the maximum local deficit, rather than the mean slope deficit of basal shear stress, and the maximum length of the local deficit, are the first important parameters to consider when evaluating slope stability in the field, since the magnitude of these factors determine the probability of a local tensile failure.

Résumé

Résumé

Des tests de terrain on été développés pour la mesure des limites de cisaillement et de tension pour de grands volumes de neige. Des limites de cisaillement à la base ont été mesurés transversalement et longitudinalement pour des couvertures de neige, conduisant à des efforts hautement variables. Ces mesures confortent l’idée que la région basale d’une avalanche peut contenir des zones où l’effort limite de cisaillement à la base dépasse la contrainte de cisaillement de gravité (c’est-à-dire les zones en butée) intercalées avec des zones de faiblesse (zones de déficit) où l’effort de cisaillement limite est inférieur à la contrainte de cisaillement due au poids. Les contraintes de traction dans la couche, créées par ces zones dé déficit, peuvent prendre des valeurs élevées soit parce que les longueurs (selon la pente) où s’exerce ce déficit sont étendues, soit parce que le déficit lui-même est important. Des mesures de limite de rupture en traction pour des plaques au-dessus de couches faibles, en même temps que des mesures de contraintes de pesanteur pour une plaque de neige, suggèrent que les longueurs de déficit de quelques mètres seulement sont suffisantes pour créer une rupture locale en traction. Dans certains cas, cette rupture locale peut se propager à travers le reste de la pente (suivant la concentration des contraintes) et être la cause d’une avalanche. Nous proposons que le maximum du déficit local, plutôt que la moyenne du déficit de la contrainte de cisaillement pour toute la pente, et que le maximum de longueur du déficit local, soient les premiers des paramètres importants à prendre en considération pour évaluer la stabilité de la pente puisque l’amplitude de ces facteurs détermine la probabilité d’une rupture locale en traction.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Zur Messung der Scherund Zugfestigkeit grosser Schneepakete wurden Feldprüfverfahren entwickelt. Die Scherfestigkeit am Untergrund wurde an einigen Schneeplatten quer und längs gemessen, wobei sich sehr unterschiedliche Werte ergaben. Diese Messungen stützen die Annahme, dass der untere Teil einer Lawine Zonen enthalten dürfte, wo die Scherfestigkeit die Scherspannung infolge der Schwerkraft übertrifft (sog. Haftgebiete), mit Schwächezonen (Defizitgebieten) dazwischen, wo die Scherfestigkeit geringer ist als die Scherspannung infolge der Schwerkraft. Die Zugspannungen in der Platte, verursacht durch diese Defizitgebiete, würden hoch werden, wenn entweder die Defizitlänge (hangabwärts) oder das Defizit selbst gross ist. Messungen der Zugfestigkeit von Platten über schwachen Schichten, kombiniert mit der hangabwärts gerichteten. Schwerkraftspannung einer Schneeplatte, lassen vermuten, dass Defizitlängen von nur einigen Metern oft genügen, um lokal einen Bruch infolge des Zuges zu verursachen. In einigen Fällen kann sich dieser lokale Bruch über den ganzen Hang fortpflanzen (in Abhängigkeit von der Verteilung der Haftkräfte) und eine Lawine auslösen. Wir schlagen vor, dass anstelle des mittleren Defizits der basalen Scherspannung am Hang das maximale lokale Defizit und die maximale Länge desselben als Hauptparameter bei der Abschätzung der Hangstabilität im Feld herangezogen werden, da die Grösse dieser Faktoren die Wahrscheinlichkeit eine lokalen Zugbruches bestimmen.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1984
Figure 0

Fig. 1.Shear-test measurements at the weakest basal layer. The weak layer was at a depth z from the surface and the average density ρ of the snow above the weak layer was measured. The bed surface angle Θ and the force Fs in the down-slope x direction required to fracture the column were measured. Typical shear areas As over which the force was applied were about 0.15 m2.

Figure 1

Fig. 2.Tensile tests of a slab above a weak layer. The scooped shape in the tensile zone helped relieve stress concentration in that area (AT) which was typically about 0.1 m2 in these tests. The frictionless plate had been inserted at a depth z from the surface at an angle of Θ to the horizontal in the up-slope direction. The pull FT required in the down-slops (x) direction was measured.

Figure 2

Fig. 3.Plot of the minimum shear index measured on each slope against the maximum length of this weakest zone measured on each slope. The total number of tests on each slope is listed beside each point, (+ denotes measurements made on slopes that had avalanched, • denotes measurements made on slopes that had not avalanahed).

Figure 3

Table I.Tensile-Type Measurements for Snow Slopes

Figure 4

Fig. 4.Fracture depth and basal shear index across the crown wall of a fracture on the cornice wall, 13 July 1982. Average slab density: 140 kg/m3. Bed surface angle: 47°. Sliding layer: very soft, 0.5–1 mm new snow, including columns, capped columns, stellars, needles, and plates at −8.4°C. The avalanche was ski-released near the northerm flank wall, and the total number of tests made was 18.

Figure 5

Fig. 5.Fracture depth and basal shear index down α flank wall of α fracture on the cornice wall, 19 September 1982. Average slab density: 290 kg/m3. Bed surface angle: 30–35°. Sliding layer: 30 mm of soft 1 mm faceted crystals (radiation recrystallized) at −7.0° C. The avalanche released naturally from new-snow loading and the total number of tests made was 23.

Figure 6

Fig. 6.Longitudinal drift patterns behind an idealized crest showing formation of drift bands across a slope (similar to Tabler’s (1980) drift behind snow fences). The arrows indicate local air velocities.