Non-Newtonian fluids are of great scientific interest due to their range of physical properties, which arise from the characteristic shear stress-shear rate relation for each fluid. The applications of non-Newtonian fluids are widespread and occur in many industrial (e.g. lubricants, suspensions, paints, etc.) and environmental (e.g. mud, ice, blood, etc.) problems, often involving multiple fluids. In this study, the novel technique of Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH) with shifting (Lind et al., J. Comput. Phys., 231(4):1499-1523, 2012), is extended beyond the state-of-the-art to model non-Newtonian and multi-phase flows. The method is used to investigate important problems of both environmental and industrial interest. The proposed methodology is based on a recent ISPH algorithm with shifting with the introduction of an appropriate stress formulation. The new method is validated both for Newtonian and non-Newtonian fluids, in closed-channel and free-surface flows. Applications in complex moulding flows are conducted and compared to previously published results. Validation includes comparison with other computational techniques such as weakly compressible SPH (WCSPH) and the Control Volume Finite Element method. Importantly, the proposed method offers improved pressure results over state-of-the-art WCSPH methods, while retaining accurate prediction of the flow patterns. Having validated the single-phase non-Newtonian ISPH algorithm, this develops a new extension to multi-phase flows. The method is applied to both Newtonian/Newtonian and Newtonian/non-Newtonian problems. Validations against a novel semi-analytical solution of a two-phase Poiseuille Newtonian/non-Newtonian flow, the Rayleigh-Taylor instability, and a submarine landslide are considered. It is shown that the proposed method can offer improvements in the description of interfaces and in the prediction of the flow fields of demanding multi-phase flows with both environmental and industrial application. Finally, the Lituya Bay landslide and tsunami is examined. The problem is approached initially on the real length-scales and compared with state-of-the-art computational techniques. Moreover, a detailed investigation is carried out aiming at the full reproduction of the experimental findings. With the introduction of a k-ε turbulence model, a simple saturation model and correct experimental initial conditions, significant improvements over the state-of-the-art are shown, managing an accurate representation of both the landslide as well as the wave run-up. The computational method proposed in this thesis is an entirely novel ISPH algorithm capable of modelling highly deforming non-Newtonian and multi-phase flows, and in many cases shows improved accuracy and experimental agreement compared with the current state-of-the-art WCSPH and ISPH methodologies. The variety of problems examined in this work show that the proposed method is robust and can be applied to a wide range of applications with potentially high societal and economical impact.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第14136号 / 工博第2970号 / 新制||工||1441(附属図書館) / 26442 / UT51-2008-N453 / 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 / (主査)教授 中川 一, 教授 関口 秀雄, 教授 藤田 正治 / 学位規則第4条第1項該当

Landslides display a wide variety of behaviors ranging from slow persistent motion to rapid acceleration and catastrophic failure. Given the variety of possible behaviors, improvements to our understanding of landslide mechanics are critical for accurate predictions of landslide dynamics. Recent advances in remote sensing techniques, like satellite radar interferometry (InSAR), now enable high-resolution spatial and temporal measurements that provide insight into the mechanisms that control landslide behavior. In this dissertation, I use InSAR and high-resolution topographic data to identify 50 slow-moving landslides in the Northern California Coast Ranges and monitor their kinematics over 4 years. These landslides have similar mechanical properties and are subject to the same external forcings, which allows me to explore geometrical controls on kinematics. Each landslide displays distinct kinematic zones with different mean velocities that remain spatially fixed. Because these deformation patterns are sensitive to subsurface geometry, I employ a mathematical model to infer landslide thickness and find that these landslides exhibit a highly variable thickness and an irregular basal sliding surface. Time series analysis reveals that each landslide displays well-defined seasonal velocity changes with a periodicity of ∼ 1 year. These velocity variations are driven by precipitation- induced changes in pore-water pressure that lag the onset of rainfall by up to 40 days. Despite significant variations in geometry, I find no systematic differences in seasonal landslide behavior. To further explore how stress perturbations control landslide motion, I develop a mechanical model that reproduces both the displacement patterns observed at slow-moving landslides and the acceleration towards failure exhibited by catastrophic events. I find that catastrophic failure can only occur when the slip surface is characterized by rate-weakening friction and its spatial dimensions exceed a critical nucleation length that is shorter for higher effective stresses. These model simulations support my conclusions from the remote sensing analysis but also provide insight into the long-term evolution of landslides. This dissertation includes both previously published and unpublished co- authored material.

Os desastres devido à ocorrência dos escorregamentos têm aumentado significativamente, causando consequências que vão além de prejuízos reparáveis, acabando por afetar muitas vidas. Várias ferramentas como modelos computacionais aliados à Sistemas de Informações Geográficas (SIG), estão subsidiando tomadas de decisões por parte dos gestores públicos. Dentre tais ferramentas, o modelo SHALSTAB está sendo amplamente utilizado para geração de mapas de previsão de escorregamentos. Isso devido às diversas vantagens que vão desde o fácil acesso pela internet até a pequena quantidade de parâmetros necessários, dentre outras. Embora estes aspectos sejam positivos, deve-se atentar para o uso, muitas vezes indiscriminado, pela desconsideração das limitações e alguns aspectos que influenciam diretamente no grau de confiabilidade do modelo. Dentre as limitações inerentes aos aspectos originais do modelo, algumas foram contornadas nos últimos anos. No Brasil importante avanço científico ocorreu em função da modificação do algoritimo do SHALSTAB com a inserção de novas variáveis, além da discretização dos parâmetros físicos do solo. Ainda que isso tenha melhorado a qualidade dos mapas gerados no Brasil, observa-se uma lacuna na bibliografia no que se refere o efeito dos processos inerentes à caracterização das unidades geotécnicas dada pelas propriedades dos solos. À Vista disso pouco se sabe sobre a repercussão nos resultados gerados pelo SHALSTAB, quanto à espacialidade e a quantidade de dados amostrais de solo que caracterizam as unidades geotécnicas. Sendo assim, o presente estudo tem por objetivo verificar o efeito da caracterização das unidades geotécnicas no cálculo de estabilidade de encostas por intermédio do modelo SHALSTAB. Para tal fim, foram propostos diversos cenários, para bacia do arroio Jaguar, em Alto Feliz - RS, com valores dos parâmetros de solo obtidos da bibliografia. Ademais, adoção do inventário de cicatrizes de escorregamentos foi imprescindível no apoio à verificação do desempenho dos cenários. Foram adotadas duas metodologias comumente utilizadas para avaliar o desempenho do modelo. Os resultados mostraram que a variabilidade espacial dos pontos de amostragens de solo aliada à quantidade máxima dos mesmos por unidade geotécnica influenciaram na aproximação dos resultados à realidade local. Isso ficou evidenciado nas simulações que não contemplaram estas duas condições, resultando em cenários com menor eficiência em representar o contexto da bacia.

Landslides are one of the most destructive disasters that cause damage to both property and life every year. Various methodologies have been reported for landslide susceptibility mapping. Statistical methods are widely used to fit the mathematical relationship between observed landslides and the factors considered to influence the slope failure, and have shown remarkable accuracy. Among these models, frequency ratio and logistic regression models are the most popular for its simplicity and high accuracy. However, virtually all previous studies randomly extracted and reserved a portion of historical landslide records to perform the model evaluation. The purpose of this study are: 1) To produce a landslide susceptibility map for Lantau Island by GIS and remote sensing methods as well as statistical modeling techniques 2) To add extra value to the literature of evaluating their “prediction rate” (rather than “success rate”) for landslide susceptibility mapping in a temporal context. The mountainous terrain, heavy and prolonged rainfall, as well as dense development near steep hillsides make Hong Kong as one of the most vulnerable metropolitans to the risk of landslides. As there is an increasingly high demand for land resource to support the growth of economic and population, regional specific landslide susceptibility assessment in Hong Kong is necessary for hazard management and effective land use planning. Firstly, the spatial relationship among landslide occurrence and nine causative factors (elevation, slope aspect, slope gradient, plan curvature, profile curvature, NDVI, distance to river, SPI and lithology) were explored. The distribution of landslides on Lantau Island is largely governed by a combination of geo-environmental conditions, such as elevation of 200m-300m, slope gradient of 25°-35°, slope aspect of west or northwest, high degree of positive or negative plan curvature and profile curvature, sparse vegetation in terms of NDVI in 0.3-0.5 (shrub/grassland), proximity (0.6-1.2km) to fault line, presence of volcanic bedrocks (especially rhyolite lava and tuff) and high stream power index. Second, landslide susceptibility maps were generated by frequency ratio and logistic regression model, respectively. Validations of the mapping results were performed by calculating relative operating characteristics (ROC). The models, trained by 1,864 (70%) landslides records in the Enhanced Natural Terrain Landslide Inventory (ENTLI) from 2000 to 2008, were validated by subsequent 799 (30%) landslide occurred from 2008 to 2009. The validation result shows that logistic regression model (88.70%) possesses a better prediction power than frequency ratio model (78.00%) for the study area. The findings suggested that logistic regression analysis is more reliable for landslide susceptibility mapping. The resultant maps are expected to provide a scientific assessment of the risk areas with respect to landslides on Lantau Island, and to serve as a basis for decisions or justification of the Lantau development planning. Keywords: landslide susceptibility; frequency ratio; logistic regression; temporal verification; GIS; Hong Kong

Les glissements de terrain argileux affectent de nombreux versants à travers le monde et menacent régulièrement les activités humaines dans les zones urbanisées montagneuses. Ces glissements sont caractérisés par des cinématiques souvent lentes mais ils peuvent brutalement se liquéfier et accélérer de manière imprévisible. Cette transition solide-liquide a été étudiée sur les argiles de la région du Trièves (Alpes Françaises) à l'aide d'études rhéologiques. Elles ont montré le caractère de fluide à seuil thixotrope avec une bifurcation de viscosité importante lors de la fluidification pouvant expliquer le caractère catastrophique de l'accélération observée sur le terrain. Cette perte de rigidité du matériau peut être observée par une chute de la vitesse des ondes de cisaillement (Vs). Des études réalisées en parallèle à la fois sur un modèle analogique de plan incliné et sur le terrain (glissement de Pont-Bourquin, Suisse) ont permis d'observer une chute de Vs précédent à cette fluidification montrant ainsi que Vs pourrait être un bon proxy pour la surveillance des instabilités de terrain argileux. / Landslides affect many clay slopes in the world and regularly threaten people in urban areas mountainous. These landslides are characterized by a slow velocity but they may suddenly liquefy and accelerate unexpectedly. The solid-liquid transition on the clay has been studied of Trièves region (French Alps) using rheological experiments. They have shown the yield stress thixotropic behavior with a viscosity bifurcation which can explain the catastrophic fluidization observed in the field. This loss of material stiffness can be followed by a drop in the shear wave velocity (Vs). Inclined plane test and field experiments (Pont-Bourquin landslides in Switzerland) have both shown a precursor drop of Vs indicating that it could be a good proxy for monitoring unstable clay slope.

Submitted by MELCHIOR CARLOS DO NASCIMENTO null (mgeop@ig.com.br) on 2016-06-23T03:30:44Z No. of bitstreams: 1 TESE_MCN_2016.pdf: 17307028 bytes, checksum: 24a295858900c371b42504dc225b29cf (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Paula Grisoto (grisotoana@reitoria.unesp.br) on 2016-06-23T12:52:22Z (GMT) No. of bitstreams: 1 nascimento_mc_dr_rcla.pdf: 17307028 bytes, checksum: 24a295858900c371b42504dc225b29cf (MD5) / Made available in DSpace on 2016-06-23T12:52:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 nascimento_mc_dr_rcla.pdf: 17307028 bytes, checksum: 24a295858900c371b42504dc225b29cf (MD5) Previous issue date: 2016-04-28 / A exploração indiscriminada dos recursos naturais e a ocupação irregular dos espaços urbanos têm provocado prejuízos diversos às metrópoles brasileiras, comprometendo a qualidade dos serviços públicos como abastecimento de água, esgotamento sanitário, transporte e demais serviços essenciais à garantia da qualidade de vida. Nesse contexto, os problemas urbanos decorrentes das precipitações pluviométricas têm atingido os municípios que integram a Região Metropolitana de Maceió – RMM, afetando ainda mais a qualidade de vida da população. Com a finalidade principal de desenvolver uma proposta para avaliar a vulnerabilidade socioambiental junto aos problemas relacionados aos deslizamentos de terra, enchentes e inundações, a presente pesquisa também teve como objetivos identificar os níveis de vulnerabilidade físico-ambiental e verificar a opinião da população sobre os problemas decorrentes das chuvas intensas. Para tanto, o uso das geotecnologias foi essencial para a integração espacial das diferentes variáveis temáticas. A partir das análises, foi observado que as ocorrências dos tipos de eventos ou desastres na RMM dependem da interveniência das chuvas e da conjugação de fatores naturais e antropogênicos. De maneira geral, as populações residentes nas áreas vulneráveis aos problemas: deslizamento de terra, enchente e inundação encontram-se relativamente fragilizadas sob o ponto de vista social. Por sua vez, a combinação entre os fatores fisiográficos permitiu identificar que em torno de 44,12% da área de estudo possuem entre média, alta e muito alta vulnerabilidade físico-ambiental ao deslizamento de terra. No caso das áreas vulneráveis à enchente/inundação, em torno de 74,17% da totalidade da área possuem entre muito baixa e baixa vulnerabilidade. Diante dessa constatação, observou-se que a ocorrência desses variados tipos de eventos ou desastres na RMM depende da interveniência das chuvas; dessa forma, as áreas de risco de deslizamento de terra, enchente ou inundação ser consideradas potencialmente vulneráveis / The indiscriminate exploitation of natural resources and the illegal occupation of urban spaces has been damaging several Brazilian cities, compromising the quality of public services such as water supply, sewage, transport and other essential services to ensure the quality of life. In this context, urban problems arising from rainfall has reached the municipalities of the Metropolitan Area of Maceio - MAM, further affecting the quality of life of the population. With the main purpose of developing a proposal to assess the social and environmental vulnerability to problems related to landslides and floods, this research also aimed to identify the environmental physical vulnerability levels and check the opinion of the population about the problems arising from heavy rains. Therefore, the use of geotechnologies was essential for spatial integration of different thematic variables. From the analysis it was observed that the occurrence of the types of events or disasters in MAM depend on the intervention of the rains and the combination of natural and anthropogenic factors. In general, people living in vulnerable areas to landslide problems and flood are relatively vulnerable from the social point of view. In turn, the combination of the physiographic factors have identified that about 44.12% of the study area has between medium, high and very high environmental physical vulnerability to landslide. In the case of vulnerable areas to flood, about 74.17% of total area are between very low and low vulnerability. Given this finding, it was observed that the occurrence of these various types of events or disasters in MAM depend on the intervention of rain, and the landslide risk areas or flood may be considered potentially vulnerable.

Os desastres devido à ocorrência dos escorregamentos têm aumentado significativamente, causando consequências que vão além de prejuízos reparáveis, acabando por afetar muitas vidas. Várias ferramentas como modelos computacionais aliados à Sistemas de Informações Geográficas (SIG), estão subsidiando tomadas de decisões por parte dos gestores públicos. Dentre tais ferramentas, o modelo SHALSTAB está sendo amplamente utilizado para geração de mapas de previsão de escorregamentos. Isso devido às diversas vantagens que vão desde o fácil acesso pela internet até a pequena quantidade de parâmetros necessários, dentre outras. Embora estes aspectos sejam positivos, deve-se atentar para o uso, muitas vezes indiscriminado, pela desconsideração das limitações e alguns aspectos que influenciam diretamente no grau de confiabilidade do modelo. Dentre as limitações inerentes aos aspectos originais do modelo, algumas foram contornadas nos últimos anos. No Brasil importante avanço científico ocorreu em função da modificação do algoritimo do SHALSTAB com a inserção de novas variáveis, além da discretização dos parâmetros físicos do solo. Ainda que isso tenha melhorado a qualidade dos mapas gerados no Brasil, observa-se uma lacuna na bibliografia no que se refere o efeito dos processos inerentes à caracterização das unidades geotécnicas dada pelas propriedades dos solos. À Vista disso pouco se sabe sobre a repercussão nos resultados gerados pelo SHALSTAB, quanto à espacialidade e a quantidade de dados amostrais de solo que caracterizam as unidades geotécnicas. Sendo assim, o presente estudo tem por objetivo verificar o efeito da caracterização das unidades geotécnicas no cálculo de estabilidade de encostas por intermédio do modelo SHALSTAB. Para tal fim, foram propostos diversos cenários, para bacia do arroio Jaguar, em Alto Feliz - RS, com valores dos parâmetros de solo obtidos da bibliografia. Ademais, adoção do inventário de cicatrizes de escorregamentos foi imprescindível no apoio à verificação do desempenho dos cenários. Foram adotadas duas metodologias comumente utilizadas para avaliar o desempenho do modelo. Os resultados mostraram que a variabilidade espacial dos pontos de amostragens de solo aliada à quantidade máxima dos mesmos por unidade geotécnica influenciaram na aproximação dos resultados à realidade local. Isso ficou evidenciado nas simulações que não contemplaram estas duas condições, resultando em cenários com menor eficiência em representar o contexto da bacia.

Diante de tantas crises e catástrofes ocorridas nos últimos anos, relacionadas a eventos extremos de precipitação, que muitas vezes resultam em graves prejuízos materiais e, sobretudo, em perda de vidas humanas; a discussão sobre os riscos socioambientais ganha outra dimensão. O atual modelo de desenvolvimento caracteriza-se pela banalização do risco, haja vista que a produção incessante de riquezas atrela-se à produção de um número cada vez maior de contextos vulneráveis, sobretudo em áreas de grande pobreza - onde a capacidade de resposta aos diferentes impactos é bastante reduzida. No ambiente urbano, o problema é ainda mais evidenciado, pela grande extensão das áreas ocupadas por assentamentos precários. As mudanças microclimáticas observadas nas grandes metrópoles, bem como os cenários apresentados pelo Painel Intergovernamental de Mudança do Clima, apontam a necessidade do desenvolvimento de medidas que visem ao gerenciamento adequado de riscos relacionados a eventos extremos, uma vez que estes podem se tornar mais frequentes e intensos nas próximas décadas. Este trabalho procura realizar uma análise multidimensional da vulnerabilidade do município de São Paulo frente a processos relacionados a chuvas intensas, em especial os escorregamentos de vertentes. Pretende apontar no espaço paulistano a estreita relação entre vulnerabilidade social e infraestrutural; e as áreas mais suscetíveis a este tipo de fenômeno, situação que caracteriza a segregação urbana. Para tal, faz-se uso de indicadores socioambientais. Com base em dados secundários, obtidos junto ao IBGE e à Prefeitura do Município de São Paulo, desenvolveu-se um conjunto de índices sintéticos. Os mesmos foram integrados e inseridos num Sistema de Informação Geográfica, com vistas a apontar diferentes níveis de vulnerabilidade socioambiental entre os distritos frente ao processo de escorregamento. / With so many crises and disasters in recent years, related to extreme precipitation events, which often result in serious damage and, especially, loss of human lives, the discussion on social and environmental risks gains another dimension. The current model of development is characterized by the risk trivialization, considering that the incessant production of wealth is linked to the production of an increasing number of vulnerable contexts, especially in areas of great poverty - where the response to different impacts is greatly reduced. In the urban environment, the problem is further evidenced by the large extent of areas occupied by slums. The microclimatic changes observed in the large cities, as well as the scenarios presented by the Intergovernmental Panel on Climate Change, indicate the need for developing measures for the proper management of risks related to extreme events, since these may become more frequent and intense in the coming decades. This study seeks to accomplish a multi-dimensional analysis of the vulnerability of São Paulo city against processes related to heavy rainfall, particularly the landslides. Intends to point in space paulistano the close relationship between social and infrastructural vulnerability, and the areas most susceptible to this type of phenomenon, a situation that characterizes urban segregation. To do this, makes use of social and environmental indicators. Based on secondary data, obtained from the IBGE and the Municipality of Sao Paulo, was developed a set of synthetic indices. They were integrated and included in a Geographic Information System, in order to point out different levels of socio-environmental vulnerability among districts facing the process of landslide.

Este trabalho apresenta uma revisão bibliográfica sobre procedimentos de estudos sobre escorregamento, com enfoque para as metodologias de previsão a partir da combinação de conhecimentos de modelagem hidrológica e análise determinística tendo como base a avaliação do fator de segurança 3D. Foi desenvolvido um conjunto de procedimentos que permitam a previsão de escorregamentos em escalas maiores que 1:10.000 e estes foram aplicados em oito áreas na cidade de Campos do Jordão (SP). Os resultados obtidos para estas áreas são bastante promissores e refletiram as condições geológicas, geotécnicas e hidrogeológicas de cada área. / This work presents a review of procedures for landslides studies, with focus on the methodologies of forecasting from the combination of knowledge of hydrological modeling and analysis based on deterministic evaluation of the 3D factor of safety. It was developed a set of procedures for the prediction of landslides on scales larger than 1:10,000, and these were applied in eight areas in the city of Campos do Jordão (SP). The results for these areas are very promising and reflected the geological, geotechnical and hydrogeological conditions in each area.