Γεωστατιστική ανάλυση των μετρήσεων στη γεωτεχνική μηχανική: εφαρμογή στην εκτίμηση των μετακινήσεων του εδάφους
Creators: name: Αρναούτη, Στέλλα Α.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2010
Subjects: Γεωστατιστική ανάλυση
Γεωτεχνική μηχανική
Διασπορόγραμμα
Μετρήσεις
Μετακινήσεις
Ενόργανη παρακολούθηση
Geostatistical analysis
Geomechanics
Variogram
Measurements
Movement
Instrumentation

description: Η ενόργανη παρακολούθηση γεωτεχνικών έργων, κατά το διάστημα κατασκευής και λειτουργίας τους, αποτελεί ενδιαφέρουσα προσέγγιση στη γεωτεχνική μηχανική για τη βαθύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς τους, ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια που η ενοργάνωση συνδυάζεται με τη συνεχή εξέλιξη της τεχνολογίας. Ωστόσο, υπάρχουν αβεβαιότητες στον τρόπο ανάπτυξης της υπό διερεύνηση παραμέτρου στο πεδίο, περιορίζοντας την αντίληψη σχετικά με την απόκριση του έργου. Η γεωστατιστική ανάλυση, η οποία αφορά την εκτίμηση μιας χωρικής μεταβλητής στο πεδίο και το σφάλμα αυτής στηριζόμενη στις διαθέσιμες μετρήσεις, προσφέρει τη δυνατότητα ποσοτικοποίησης της αβεβαιότητας. Αξίζει να σημειωθεί ότι, αν κι η γεωστατιστική ανάλυση αφορά κάθε μετρούμενη παράμετρο, η εργασία πραγματεύεται κατά κύριο λόγο την εκτίμηση των μετακινήσεων του εδάφους. Προέκυψε, λοιπόν, η ανάγκη μιας εμπεριστατωμένης διερεύνησης της εφαρμοσιμότητας της γεωστατιστικής ανάλυσης στα γεωτεχνικά ζητήματα τόσο για την εκτίμηση των μετακινήσεων στο πεδίο όσο και για τη βελτιστοποίηση της διάταξης συστημάτων παρακολούθησης μετακινήσεων. Για το σκοπό αυτό, μελετήθηκε, κατά κύριο λόγο, η εφαρμογή της γεωστατιστικής για την εκτίμηση των μετακινήσεων στην κατολίσθηση Σ2, στην οποία καταγράφονταν οι επιφανειακές μετακινήσεις με τοπογραφικές μεθόδους. Αρχικά, διερευνήθηκε η απαίτηση αντιμετώπισης του κατολισθητικού φαινομένου σε ένα ενιαίο πεδίο ή διαχωρισμού του σε περιοχές μικρών και μεγάλων μετακινήσεων. Διαπιστώθηκε, λοιπόν, ότι ο διαχωρισμός του πεδίου. Επίσης, προτείνεται ένας νέος τρόπος προσδιορισμού των ορίων της κατολίσθησης, με λειτουργία ανεξάρτητη της επιτόπιας έρευνας, βασιζόμενος στις εκτιμώμενες μέσω γεωστατιστικής ανάλυσης μετακινήσεις. Στη συνέχεια, ελέγχθηκε η δυνατότητα εφαρμογής της γεωστατιστικής ανάλυσης σε περιπτώσεις όπου το πλήθος των διαθέσιμων μετρήσεων στο χώρο είναι περιορισμένο. Συντάχθηκαν, λοιπόν, θεωρητικά δυο χάρτες απόφασης – κι εφαρμόστηκαν πρακτικά, επιτρέποντας τη δομική ανάλυση στην περίπτωση μικρού πλήθους μετρήσεων. Αναλύοντας γεωστατιστικά τις μετρήσεις μετακινήσεων στην κατολίσθηση Σ2 σε πολλαπλές χρονικές στιγμές, παρατηρήθηκε ότι το κανονικοποιημένο διασπορόγραμμα μετακινήσεων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση, μέσω των μεταβολών του, των πιθανών αλλαγών στο μηχανισμό της κατολίσθησης. Τέλος, η επιρροή των διαφορετικών μετρητικών σφαλμάτων των οργάνων που συμμετέχουν στην καταγραφή των μετακινήσεων διερευνήθηκε τόσο σχετικά με την εκτίμηση των μετακινήσεων στο πεδίο όσο και σε σχέση με τη βελτιστοποίηση της διάταξης της ενόργανης παρακολούθησης. Εισήχθη, λοιπόν, η τεχνική Monte Carlo στη γεωστατιστική ανάλυση (ανάπτυξη μεθοδολογίας MC1) κι εφαρμόστηκε στην κατολίσθηση Σ2. Η μικρή μεταβλητότητα των παραμέτρων του διασπορογράμματος στα τυχαία μετρητικά σφάλματα σε συνδυασμό με το μεγάλο υπολογιστικό κόστους της MC1, ωθεί στην ανάπτυξη της απλοποιημένης μορφής της τεχνικής Monte Carlo (MC2), η οποία στηρίζεται στην παραδοχή ότι το διασπορόγραμμα διατηρείται σταθερό κατά τις Monte Carlo επαναλήψεις. Σύμφωνα με την παραδοχή της μεθοδολογίας MC2, απλοποιούνται σημαντικά οι εξισώσεις και τελικά, η μεθοδολογία MC2 βασίζει τα αποτελέσματά της σε μόνο μία γεωστατιστική επίλυση, καταργώντας την απαίτηση για χρονοβόρες πολλαπλές επαναλήψεις. Η MC2 μπορεί να χρησιμοποιηθεί έναντι της MC1 όταν τα μετρητικά σφάλματα δεν επηρεάζουν τη μορφή του διασπορογράμματος. Ειδάλλως, τα αποτελέσματα της MC2 αποκλίνουν από αυτά της MC1 όσο αυξάνονται οι συντελεστές μεταβλητότητας των παραμέτρων του διασπορογράμματος που καθορίζουν τη μορφή του.
description: Instrumentation for monitoring geotechnical projects during construction and operation is an interesting approach for geomechanics, since it contributes to a deeper understanding of field performance. However, quite often, uncertainties exist in the way the variable under study distributes in the field. Geostatistical analysis estimates the spatial variable and the estimation error based on the measurements and thus, it can quantify the uncertainties. It is worth mentioning that, even though geostatistics can be applied to any spatial variable, this work is focused on ground movements. So, the need for a profound study concerning the applicability of geostatistical analysis in geotechnical issues arise, regarding both the movement estimation on the field and the optimum layout of the movement monitoring network. The main test site for the study was landslide S2, where the movements of the ground surface were recorded by topographic methods. The first part of the study concerned the necessity to treat the landslide field as a whole or to separate the field in areas of big and small movements. It was made certain that separating the field produced better results. Also, a new method is proposed for determining the landslide limit, independently of the field investigation, based on movement estimation by geostatistics. Also, the ability to adopt geostatistical analysis when the monitoring network is restricted, is tested. To face the measurement parsimony, two decision maps were compiled and applied. The geostatistical analysis in movement measurements in S2 in multiple time steps showed that changes in the landslide mechanism can be traced through changes in the normalized variogram of ground movements. Lastly, the effect of different measurement errors on the movement estimation as well as on the optimum layout of the monitoring network was studied. The Monte Carlo technique was introduced to the geostatistical analysis (development of MC1 methodology) and applied to case S2. The small variability of the variogram parameters combined with the great computation cost of MC1 resulted in the development of the simplified methodology MC2, which is based on the assumption that the variogram remains constant throughout Monte Carlo iterations. According to this assumption, the equations that produce the estimation and the estimation error are considerably simplified. So, the results of MC2 methodology are based on only one geostatistical analysis, eliminating the need for multiple time-consuming iterations. MC2 methodology can be used instead of MC1 when measurement errors do not affect variogram shape. Otherwise, MC2 results decline from MC1 results as the coefficients of variation of variogram parameters increase.