Deformation monitoring and modeling based on LiDAR data for slope stability assessment

Hu, Hui; Azzam, Rafig

doi:32593

Deformation monitoring and modeling based on LiDAR data for slope stability assessment = Deformationsüberwachung und Modellierung mit LiDAR-Daten zur Beurteilung der Hangstabilität

Hu, Hui (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Hui Hu

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangXIV, 160 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Azzam, Rafig (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-05-29

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-45844
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/229874/files/4584.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Überwachung (Genormte SW) ; Deformation <Geologie> (Genormte SW) ; Lockergestein (Genormte SW) ; Geowissenschaften (frei) ; LiDAR (frei) ; Deformationserkennung (frei) ; Numerische Modellierung (frei) ; Böschungsstabilitätsanalyse (frei) ; Rückanalyse (frei) ; deformation detection (frei) ; numerical modeling (frei) ; slope stability analysis (frei) ; back analysis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 550

Kurzfassung
Lockergesteinssedimente reagieren mit zeitabhängigen Deformationen, wenn sie durch Einschnitte entlastet werden. Diese Zeitabhängigheit stellt eine Herausforderung, wenn es um die stabilitätsbewertung geht. Böschungsbrüche und Bodensenkungen beispielsweise werden nicht nur durch tiefgreifende Bauvorhaben und Bergbauaktivitäten ausgelöst, sondern auch durch geologische Setzungsprozesse. Sie stellen ein Problem dar, welches sich negativ auf die Umwelt, die Sicherheit des Menschen und die Ökonomie auswirkt. Mit der Ziel eine adäquate Technik zur Bearbeitung und Schadensminderung von Versagensfällen in Lockergestein zu entwickeln, müssen angemessene Überwachungstechnologien, wirksame Methoden zur Erkennung von Deformationen, zuverlässige numerische Modellierung und präzise Hangstabilitätsanalysen kombiniert werden. In diesem Rahmen wurde terrestrisches Laserscanning (TLS) verwendet um multitemporale hochauflösende, dreidimensionale Oberflächendaten einer hohen, frisch geschnittenen Tagebauböschung in sandig und tonigem Lockeregestein zu erhalten. Es wurden vier aufeinanderfolgende Scanaufnahmen über einen Zeitraum von drei Monaten hinweg aufgenommen. Anschliessend wurde ein Programm erstellt, welches ein auf der Basis von TLS Daten erstelltes geologisches Modell in ein geotechnisches Modell für numerische Simulationen transferiert. Dabei werden Methoden wie das maximale Entfernungsverfahren oder die Bestimmung des Ausmasses von geometrischen Kennzeichen verwendet, um aus den geologischen Modell Böschungsverformungen in mm Auflösung zu erkennen. In einem iterativen Prozess werden durch gerichtete Optimierung die Kombination für die geotechnischen Böschungsparameter ermittelt, welche die beobachteten Verformungen in einem FE-Modell am besten beschreibt. So kann durch die Finite-Element Analysen mit automatischer Festigkeitsreduktion ein Sicherheitsbeiwert für die zeitabhängige Böschungsverformungen bestimmt werden. Dies erlaubt im Anschluss die Zuverlässigkeit des ermittelten Sicherheitsbeiwerts auch unter Berücksichtigung zeitabhängiger Verformungen zu bewerten.

Time dependent deformation is a common process in soil slopes but never the less a challenging task for stability assessment. Slope failure and the land subsidence originating not only from extensive constructions and mining but also due to geological processes are common problems, which adversely influence environment, human safety and economic development. In order to pursue an advanced methodology for management and mitigation of soil slope failure, such points as adequate monitoring technology, effective deformation recognition, reliable numerical modeling, and precise slope stability analysis are important to be taken into account. Within this scope, terrestrial laser scanner (TLS) was adopted to collect high resolution point cloud data from a fresh cut high slope in sandy and clayey soils in an open pit mine. Therefore, four scanning campaigns have been conducted over a period of three months. A conversion tool to transfer a LiDAR data-based 3D geological model into a 3D geotechnical model for numerical simulation has been developed. Two sophisticated techniques, i.e. both maximum distance method and feature degree method, were proposed to recognize the slope displacement in mm resolution from the surface model. In an iterative process with numerous numerical forward simulations, presumed geotechnical parameters and resultant movements were investigated to find the suitable solutions of parameter combinations for the FE-model which enable to describe the observed deformation process. This allows determining the factor of safety (FOS) for the slopes, through finite element slope stability analyses combined with automatic strength reduction technique, followed by time effect discussion which improves the reliability of determined FOS.

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