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Análise e aplicações da geoestatística no contexto geológico-geotécnico urbano

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Análise e aplicações da geoestatística no contexto geológico-geotécnico urbano

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Título Análise e aplicações da geoestatística no contexto geológico-geotécnico urbano
Autor Folle, Daiane
Orientador Costa, Joao Felipe Coimbra Leite
Data 2009
Nível Doutorado
Instituição Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Escola de Engenharia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Minas, Metalúrgica e de Materiais.
Assunto Geoestatistica
Geotecnica
Mapeamento geotécnico
Resumo Os projetos de engenharia são geralmente executados com base em dados geológicos e geotécnicos provenientes de ensaios de campo, os quais permitem uma definição satisfatória da estratigrafia local. No entanto, em várias situações requer um modelo 3D o qual descreva a estratigrafia e as propriedades mecânicas dos materiais envolvidos. Em aplicações geotécnicas, estas informações são fundamentais para projetos de fundações, pavimentos, estabilidade de taludes, estruturas de contenção, análises de risco, entre outros. Neste contexto, técnicas geoestatísticas foram selecionadas para atender a necessidade da estimativa de modelagem 3D da estratigrafia e das propriedades mecânicas do solo. A eficiência dos métodos geoestatísticos foi testada em dois bancos de dados que apresentam características geológico-geotécnicas distintas, denominados de área urbana de Passo Fundo/BR e Roma/IT. Para a área urbana de Passo Fundo, foi disponibilizado um banco de dados composto por sondagens SPT sob as quais as técnicas geoestatísticas foram implementadas levando em conta uma particularidade dos dados, uma deriva vertical. As técnicas de krigagem universal e funções aleatórias intrínsecas foram propostas considerando que a krigagem ordinária não é apropriada para dados que apresentam fortes derivas. Ao final, obtiveram-se mapas das tipologias de solo provenientes destas técnicas, cujos resultados foram comparados qualitativa e quantitativamente. Os melhores resultados foram obtidos quando a krigagem universal foi implementada, já que o modelo da deriva foi apropriadamente ajustado nesta situação. No caso de diferentes bancos de dados, onde a deriva não é facilmente determinada, sugere-se o uso da função aleatória intrínseca de ordem k. Roma foi selecionada como uma área protótipo para o desenvolvimento de um modelo geológico do subsolo que pudesse incorporar informações geotécnicas físicas e mecânicas. O objetivo foi o de gerar mapas de risco da área urbana, que servissem como uma ferramenta para o planejamento urbano. Os métodos geoestatísticos foram utilizados para modelagem de dados geológicos e geotécnicos. O método de análise em componentes principais foi utilizado para a modelagem de múltiplas variáveis correlacionadas em um cenário isotópico, o que significa que as variáveis primária e secundárias estão disponíveis na mesma locação amostral. Este método auxiliou na escolha dos parâmetros correlacionados mais relevantes e na definição dos fatores para a estimativa do ângulo de atrito do solo. Diversas técnicas foram testadas para obter estimativas desta propriedade do solo, incluindo cokrigagem ordinária, krigagem ordinária e regressão linear múltipla. Ao final tais resultados foram confrontados. A metodologia de cokrigagem empregando os cinco primeiros fatores da análise em componentes principais e a escolha das granulometrias como variáveis secundárias, foram as duas melhores combinações que levaram aos melhores resultados da modelagem dos parâmetros geotécnicos. Uma proposta para modelagem do subsolo de Roma foi igualmene apresentada nesta tese, dando ênfase aos ganhos na construção deste modelo baseado em simulação plurigaussiana truncada. Os resultados da simulação foram comparados com um mapa geológico clássico, obtido por meio de árduo trabalho manual. O modelo geológico resultante foi utilizado para mapear a suscetibilidade do solo aos recalques. Este mapa auxiliou no zoneamento urbano e na mitigação de áreas onde as edificações já apresentavam patologias, assim como o centro histórico urbano de Roma. O modelo geológico 3D simulado apresentou uma excelente reprodução do modelo produzido manualmente, por intensa carga de trabalho. As principais vantagens alcançadas com a implementação da simulação plurigaussiana truncada podem ser resumidas na redução do tempo de trabalho, produzindo várias imagens equiprováveis da geologia e a possibilidade de acessar probabilisticamente os domínios geológicos.
Abstract Engineering projects use geological and geotechnical data derived from in situtests, allowing a satisfactory definition of the local stratigraphy. However, in various situation it is required a 3D model describing the stratigraphy and mechanical properties of the materials involved. In geotechnical applications, this information is essential for projects of foundations, pavements, slope stability, containment structures, risk analysis, among others. In this context, geostatistical techniques have been chosen to address the issues of 3D stratigraphic modelling and geotechnical properties estimation. The efficiency of the geostatisitical methods were tested at two database showing distinct geologic-geotechnical characteristics, namely the urban areas of Passo Fundo/BR and Rome/IT. For the urban area of Passo Fundo it was available database formed by SPT loggings, on which geostatistical techniques were implemented to account for a peculiarity of the data, a vertical drift. Universal kriging and intrinsic random functions were proposed since ordinary kriging is not appropriate in the presence of strong drift. At the end, maps of soil types were obtained from these techniques and the results were qualitatively and quantitatively compared. The best results were obtained when applying universal kriging, as the trend model was properly fitted to this case. In case of different data sets where the drift is not trivially determined, the intrinsic random function of order k method should be recommended. Rome was selected as a prototype area for the development of a geological model of the subsoil that could incorporate physical and mechanical geotechnical information. The aim was generate risk maps of the urban area providing an appropriate tool for urban planning. Geostatistical methods were used dealing with both information, geological and geotechnical ones. The method of principal component analysis simplified in modelling multiple correlated variables in an isotopic scenario, which means the primary and secondary data were available at same locations. The method assisted in choosing the most relevant correlated parameters and factors to estimate the soil friction angle. Several techniques were tested to obtain estimates of this soil property including ordinary cokriging, ordinary kriging and multiple linear regression. These results were compared. The cokriging approach using the first five main factors obtained from principal component analysis, and the choice of granulometrys as secondary variable were the two best combinations leading to the best results on the geotechnical parameters modeling. A proposal for modeling Rome subsoil was also presented in this thesis, emphasizing the gains in building this model based on truncated plurigaussian simulation. Simulation results were compared against classical geological map carried out by manual labour intensive processes. The derived geological model was used for mapping soil susceptibility of settlement. This map helped in urban zoning and mitigation of areas where building pathologies were identified such as the historical city center of Rome. Simulated 3D geological model presented an excellent reproduction of the labour intensive, manually produced models. The main advantages achieved with the implementation of the truncated plurigaussian simulation could be resumed as the reduced time to produce various equally probable geological images and assessing probabilistically the geological domains.
Tipo Tese
URI http://hdl.handle.net/10183/15707
Arquivos Descrição Formato
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