A Hybrid Geophysical–Geotechnical Approach for Landslide Stability Assessment

In de hooglanden van Ethiopië, waar de aarde steil omhoog rijst en de wegen door de bergen snijden, is de grond niet altijd zo solide als zij lijkt. Voor ingenieurs en geologen is de stabiliteit van een helling een delicaat evenwicht tussen twee tegenovergestelde krachten: het gewicht van de grond en rotsen dat naar beneden trekt, en de interne sterkte van datzelfde materiaal dat het bij elkaar houdt. Deze sterkte is geen vast getal; het verandert met het weer. Wanneer hevige regenval de grond doordrenkt, vult water de minuscule ruimtes tussen de bodemdeeltjes, waardoor ze uit elkaar worden geduwd en de aarde zwaarder en zwakker wordt. Dit is de fundamentele uitdaging van de aardverschuivingswetenschap: begrijpen hoe water, het type bodem en de vorm van een helling met elkaar interageren om ofwel stand te houden, ofwel bezwijken. Wanneer een weg in een heuvel wordt gebouwd, verwijdert deze vaak de natuurlijke ondersteuning aan de onderkant van de helling, en als de bodem al zwak is of de grondwaterstand hoog, kan de gehele helling afglijden, het verkeer blokkeren en levens in gevaar brengen.

Een team van onderzoekers trok uit om een hardnekkig probleem op een traject van een weg in Bonga Town, in het zuidwesten van Ethiopië, op te lossen. Dit deel van de snelweg, die Addis Abeba met de stad Mizan verbindt, heeft te maken gehad met herhaalde aardverschuivingen, vooral tijdens het regenseizoen van juni tot september. Ondanks eerdere pogingen om de weg te repareren met gesteentevulling, bleef de grond bewegen. Het team, geleid door ingenieurs van de Bahir Dar Universiteit en samenwerkingspartners uit India en Polen, besloot onder het oppervlak te kijken om precies te begrijpen wat er aan de hand was. Ze combineerden drie verschillende manieren om naar de aarde te kijken: ze boorden diepe gaten om bodemmonsters naar boven te halen, ze gebruikten geluidsgolven en elektrische stromen om de grond in kaart te brengen zonder te graven, en ze bouwden een digitaal model van de helling om te testen hoe deze zou reageren onder spanning. Hun doel was niet alleen om te zien waarom de weg faalde, maar om een oplossing te vinden die de veiligheid in de toekomst zou garanderen.

Het onderzoek begon met het luisteren naar de aarde en het voelen van de elektrische weerstand ervan. De onderzoekers gebruikten een techniek genaamd seismische breking, waarbij geluidsgolven door de grond worden gestuurd om te meten hoe snel ze zich verplaatsen. Snellere golven betekenen meestal harder gesteente, terwijl tragere golven wijzen op zachte grond of gebroken gesteente. Ze gebruikten ook elektrische resistiviteitstomografie, wat meet hoe gemakkelijk elektriciteit door de grond stroomt. Natte grond en klei geleiden elektriciteit veel beter dan droge rotsen, dus deze methode hielp hen om zakken water en zwakke, verzadigde lagen te lokaliseren. Deze niet-invasieve tests werden gecombineerd met gegevens van vier diepe boorgaten die langs de weg waren geboord. Uit deze gaten extraheerden ze bodemmonsters om in een laboratorium te testen, waarbij ze maten hoeveel de bodem woog, hoeveel water deze vasthield en hoeveel kracht er nodig was om de verschuiving te veroorzaken.

De resultaten schetsen een duidelijk beeld van een kwetsbaar landschap. De grond onder de weg is een complexe mix van lagen. Bovenaan is een laag aangevoerd vulmateriaal dat gebruikt is voor de aanleg van de weg, liggend op een stevige, roodbruine leem. Daaronder ligt een laag klei gemengd met fragmenten van trachietgesteente, en aan de onderkant bevindt zich een laag verwering van basalt. De cruciale bevinding was dat de grondwaterstand zeer dicht bij het oppervlak ligt, vaak slechts één meter onder de grond. Tijdens het regenseizoen stijgt dit waterniveau, waardoor de bodem verzadigd raakt en de bovenste lagen veranderen in een zware, gladde massa. De laboratoriumtests bevestigden dat de bodem een hoog natuurlijk vochtgehalte heeft, vooral tijdens de zomerregens, wat het vermogen om bij elkaar te blijven aanzienlijk vermindert.

Om te zien hoe deze omstandigheden de veiligheid van de weg beïnvloedden, bouwden de onderzoekers een computersimulatie van de helling. Ze voerden de echte gegevens in — het gewicht van de bodem, de wrijvingshoeken en de waterstanden — in gespecialiseerde software om een "veiligheidsfactor" te berekenen. Dit getal is een eenvoudige ratio die ingenieurs vertelt hoe stabiel een helling is. Een getal van 1,5 of hoger wordt over het algemeen als veilig beschouwd voor een weg, wat betekent dat de krachten die de heuvel omhoog houden anderhalf keer sterker zijn dan de krachten die de heuvel naar beneden trekken. De simulatie toonde aan dat onder de huidige natte omstandigheden de veiligheidsfactor voor deze weg slechts 1,347 was. Dit ligt onder de vereiste veiligheidsdrempel, wat bevestigt dat de helling instabiel is en gevoelig is voor verschuivingen. Het model toonde ook aan dat de meest waarschijnlijke plek waar een verschuiving zou kunnen beginnen, ongeveer 5,5 meter onder het wegoppervlak ligt, waarbij het door de zwakke, natte bodemlagen snijdt.

De onderzoekers testten vervolgens verschillende manieren om het probleem binnen hun computermodel op te lossen. Ze onderzochten het idee van het bouwen van een steunmuur, een structuur die ontworpen is om de aarde tegen te houden. De simulatie toonde aan dat het toevoegen van een muur de veiligheidsfactor aanzienlijk zou verhogen, waardoor de extra weerstand wordt geboden die nodig is om de verschuiving van de grond te voorkomen. Ze verkenden ook het gebruik van geosynthetische materialen, zoals geocellen en geotextielen. Dit zijn gaasachtige stoffen die in de grond kunnen worden geplaatst om de bodem te versterken, werkend als een net dat de deeltjes bij elkaar houdt en voorkomt dat ze uit elkaar drijven. De studie suggereert dat een combinatie van deze maatregelen, samen met betere afwatersystemen om de grondwaterstand te verlagen, de beste weg vooruit biedt. Door het overtollige water te verwijderen en de bodem te versterken, kan de weg worden gestabiliseerd zonder dat de hele heuitleeft herbouwd hoeft te worden.

Deze studie benadrukt dat de terugkerende aardverschuivingen op de weg van Bonga naar Mizan niet alleen het gevolg zijn van het steile terrein, maar van een specifieke interactie tussen de eigenschappen van de bodem en de seizoensgebonden regenval. Het onderzoek sluit de mogelijkheid uit dat de huidige reparaties met gesteentevulling voldoende zijn, aangezien de beweging eronder doorgaat. In plaats daarvan wijst het bewijs op de noodzaak van een meer uitgebreide aanpak die zich direct richt op het water en de bodemsterkte. Hoewel de studie zich richtte op een specifiek deel van de weg, bieden de methoden die zij hebben gebruikt een blauwdruk voor het begrijpen van soortgelijke problemen in andere bergachtige regio's van Ethiopië. De auteurs erkennen dat tijd- en budgetbeperkingen betekenden dat zij niet de volledige 100 kilometer lange strook van de snelweg konden onderzoeken, maar hun bevindingen bieden een duidelijke, op bewijs gebaseerde gids voor ingenieurs om dit cruciale stuk infrastructuur te renoveren en ervoor te zorgen dat het open blijft voor het verkeer, zelfs wanneer de regen valt.