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The instability of river bank can result in considerable human and land losses. The Po river is the most important in Italy, characterized by main banks of significant and constantly increasing height. This study presents multilayer perceptron of artificial neural network (ANN) to construct prediction models for the stability analysis of river banks along the Po River, under various river and groundwater boundary conditions. For this aim, a number of networks of threshold logic unit are tested using different combinations of the input parameters. Factor of safety (FS), as an index of slope stability, is formulated in terms of several influencing geometrical and geotechnical parameters. In order to obtain a comprehensive geotechnical database, several cone penetration tests from the study site have been interpreted. The proposed models are developed upon stability analyses using finite element code over different representative sections of river embankments. For the validity verification, the ANN models are employed to predict the FS values of a part of the database beyond the calibration data domain. The results indicate that the proposed ANN models are effective tools for evaluating the slope stability. The ANN models notably outperform the derived multiple linear regression models.

The cone penetration test (CPT), together with its recent variation (CPTU), has become the most widely used in-situ testing technique for soil profiling and geotechnical characterization. The knowledge gained over the last decades on the interpretation procedures in sands and clays is certainly wide, whilst very few contributions can be found as regards the analysis of CPT(u) data in intermediate soils. Indeed, it is widely accepted that at the standard rate of penetration (v = 20 mm/s), drained penetration occurs in sands while undrained penetration occurs in clays. However, a problem arise when the available interpretation approaches are applied to cone measurements in silts, sandy silts, silty or clayey sands, since such intermediate geomaterials are often characterized by permeability values within the range in which partial drainage is very likely to occur. Hence, the application of the available and well-established interpretation procedures, developed for ‘standard’ clays and sands, may result in invalid estimates of soil parameters. This study aims at providing a better understanding on the interpretation of CPTU data in natural sand and silt mixtures, by taking into account two main aspects, as specified below: 1)Investigating the effect of penetration rate on piezocone measurements, with the aim of identifying drainage conditions when cone penetration is performed at a standard rate. This part of the thesis has been carried out with reference to a specific CPTU database recently collected in a liquefaction-prone area (Emilia-Romagna Region, Italy). 2)Providing a better insight into the interpretation of piezocone tests in the widely studied silty sediments of the Venetian lagoon (Italy). Research has focused on the calibration and verification of some site-specific correlations, with special reference to the estimate of compressibility parameters for the assessment of long-term settlements of the Venetian coastal defences.

Mountainous areas are prone to natural hazards like rockfalls. Among the many countermeasures, rockfall protection barriers represent an effective solution to mitigate the risk. They are metallic structures designed to intercept rocks falling from unstable slopes, thus dissipating the energy deriving from the impact. This study aims at providing a better understanding of the response of several rockfall barrier types, through the development of rather sophisticated three-dimensional numerical finite elements models which take into account for the highly dynamic and non-linear conditions of such events. The models are built considering the actual geometrical and mechanical properties of real systems. Particular attention is given to the connecting details between the structural components and to their interactions. The importance of the work lies in being able to support a wide experimental activity with appropriate numerical modelling. The data of several full-scale tests carried out on barrier prototypes, as well as on their structural components, are combined with results of numerical simulations. Though the models are designed with relatively simple solutions in order to obtain a low computational cost of the simulations, they are able to reproduce with great accuracy the test results, thus validating the reliability of the numerical strategy proposed for the design of these structures. The developed models have shown to be readily applied to predict the barrier performance under different possible scenarios, by varying the initial configuration of the structures and/or of the impact conditions. Furthermore, the numerical models enable to optimize the design of these structures and to evaluate the benefit of possible solutions. Finally it is shown they can be also used as a valuable supporting tool for the operators within a rockfall risk assessment procedure, to gain crucial understanding of the performance of existing barriers in working conditions.

The uncertainties in the determination of the stratigraphic profile of natural soils is one of the main problems in geotechnics, in particular for landslide characterization and modeling. The study deals with a new approach in geotechnical modeling which relays on a stochastic generation of different soil layers distributions, following a boolean logic – the method has been thus called BoSG (Boolean Stochastic Generation). In this way, it is possible to randomize the presence of a specific material interdigitated in a uniform matrix. In the building of a geotechnical model it is generally common to discard some stratigraphic data in order to simplify the model itself, assuming that the significance of the results of the modeling procedure would not be affected. With the proposed technique it is possible to quantify the error associated with this simplification. Moreover, it could be used to determine the most significant zones where eventual further investigations and surveys would be more effective to build the geotechnical model of the slope. The commercial software FLAC was used for the 2D and 3D geotechnical model. The distribution of the materials was randomized through a specifically coded MatLab program that automatically generates text files, each of them representing a specific soil configuration. Besides, a routine was designed to automate the computation of FLAC with the different data files in order to maximize the sample number. The methodology is applied with reference to a simplified slope in 2D, a simplified slope in 3D and an actual landslide, namely the Mortisa mudslide (Cortina d’Ampezzo, BL, Italy). However, it could be extended to numerous different cases, especially for hydrogeological analysis and landslide stability assessment, in different geological and geomorphological contexts. / L’incertezza nella determinazione del profilo stratigrafico e dei parametri meccanici dei singoli terreni è tra i principali problemi dell’ingegneria geotecnica, in particolare per l’analisi dei fenomeni franosi. Lo studio presenta un nuovo approccio nella modellazione geotecnica che si basa sulla generazione stocastica di diverse distribuzioni di strati di terreno, seguendo una logica booleana - il metodo è stato perciò chiamato BoSG (Boolean Stochastic Generation – Generazione Stocastica Booleana). Con questo metodo è possibile randomizzare la presenza di uno specifico materiale interdigitato in una matrice uniforme. Nell’impostare un modello geotecnico, infatti, generalmente si eliminano alcuni dati stratigrafici per semplificare il modello stesso, assumendo che la significatività dei risultati non ne risenta. La metodologia proposta permette di quantificare l'errore associato a questa semplificazione. Inoltre, può essere utilizzata per determinare le zone più significativi nelle quali possibili ulteriori indagini geotecniche sarebbero più efficaci per la definizione del modello geotecnico. Per la modellizzazione bidimensionale e tridimensionale è stato utilizzato il software commerciale alle differenze finite FLAC. La distribuzione dei materiali è stata randomizzata attraverso un programma in MatLab specificamente codificato che genera automaticamente dei file di testo con le configurazioni del terreno. E’ stata inoltre programmata una routine per automatizzare il calcolo FLAC con diverse file di dati al fine di massimizzare la numerosità campionaria. In questa tesi la metodologia è stata applicata ad un pendio semplice in 2D, un pendio semplice in 3D e una frana reale: la frana di colata di Mortisa (Cortina d'Ampezzo, BL). Il metodo, tuttavia, potrebbe essere applicato ad altri casi, in particolare per studi di idrologia sotterranea, per l’analisi di stabilità di altre frane e in diversi contesti geologici e geomorfologici

Sheet pile walls are one of the oldest earth retention systems utilized in civil engineering projects. They are used for various purposes; such as excavation support system, cofferdams, cut-off walls under dams, slope stabilization, waterfront structures, and flood walls. Sheet pile walls are one of the most common types of quay walls used in port construction. The worldwide increases in utilization of large ships for transportation have created an urgent need of deepening the seabed within port areas and consequently the rehabilitation of its wharfs. Several methods can be used to increase the load-carrying capacity of sheet-piling walls. The use of additional anchored tie rods grouted into the backfill soil and arranged along the exposed wall height is one of the most practical and appropriate solutions adopted for stabilization and rehabilitation of the existing quay wall. The Ravenna Port Authority initiated a project to deepen the harbor bottom at selected wharves. An extensive parametric study through the finite element program, PLAXIS 2D, version 2012 was carried out to investigate the enhancement of using submerged grouted anchors technique on the load response of sheet-piling quay wall. The influence of grout-ties area, length of grouted body, anchor inclination and anchor location were considered and evaluated due to the effect of different system parameters. Also a comparative study was conducted by Plaxis 2D and 3D program to investigate the behavior of these sheet pile quay walls in terms of horizontal displacements induced along the sheet pile wall and ground surface settlements as well as the anchor force and calculated factor of safety. Finally, a comprehensive study was carried out by using different constitutive models to simulate the mechanical behavior of the soil to investigate the effect of these two models (Mohr-Coulomb and Hardening Soil) on the behavior of these sheet pile quay walls.

A extração e processamento de minério resultam na geração de elevadas quantidades de resíduos, cuja disposição gera impacto e risco ambiental. Nesta dissertação é apresentado um estudo referente às campanhas de investigação geotécnica em área de disposição de resíduos de bauxita, procedimento necessário à extração da alumina. Os estudos referem-se a resíduos do processamento da lama de lavagem de uma mina localizada no estado do Pará, depositados em forma de lama, em reservatórios ditos ARBs (Área de Resíduos de Bauxita). No presente trabalho foram utilizados dados de dois reservatórios de deposição, ARB #2 e ARB #3. Ênfase foi dada à interpretação de ensaios de piezocone em diferentes pontos da área de deposição de resíduos. A análise integrada entre a resistência à penetração, excesso de poro pressão e poro pressão de equilíbrio possibilitaram uma avaliação correta das condições de contorno do reservatório, com identificação precisa da posição do nível d’água (uo) no período de realização dos ensaios, bem como da estimativa dos parâmetros geotécnicos do resíduo expressos através da resistência ao cisalhamento não-drenada Ensaios de laboratório em equipamentos convencionais e equipamentos desenvolvidos especialmente para esse tipo de material complementaram as informações geotécnicas obtidas in situ. A análise conjunta dos ensaios de campo e de laboratório possibilitou a caracterização do resíduo e a estimativa de parâmetros constitutivos necessários a projetos geotécnicos e geo-ambientais nestes materiais. Uma nova metodologia foi proposta para identificação das condições de drenagem dos ensaios, com base na normalização dos resultados. Estes estudos sugeriram que os ensaios possam ser interpretados no espaço definido pela relação do parâmetro de velocidade V versus à resistência normalizada do cone, sendo V definido em função da velocidade de penetração do cone (v), diâmetro de sonda (d) e coeficiente de adensamento (Cv), expressa na forma adimensional como V = v.d/Cv. Com base na metodologia proposta é possível identificar, para áreas de deposição de resíduos, as condições de drenagem que, uma vez estabelecidas, permitem uma estimativa racional dos parâmetros constitutivos que controlam o comportamento geo-mecânico do resíduo. / Production and deposition of mining tailings is a problem confronting geotechnical engineers given the dimension of tailing deposits and their environmental risk assessment given the relevance of this topic. A case study reporting a site characterization programme in an area of disposal of tailings from bauxite mining operations is investigated in the present work. The studies focos on residues of a processing of the slime of washing of a mine located in the state of Pará, deposited in slime form in tailings called ARBs (Bauxite tailings), in particular from two tailings of deposition named, ARB #2 and ARB #3. Emphasis is given to the interpretation of piezocone tests carried out in different locations along these tailing dams. A combined interpretation of penetration resistance and pore pressure enabled boundary conditions in the dam to be established, with an accurate identification of the ground water pressure at the time of the testing programme. In addition, the piezocone data constitutive parameters of tailings to be predicted, expressed in terms of undrained shear strength Su . The laboratory testing in conventional equipment and an equipment especially developed to this type of material had complemented the geomechanical information obtained from the in situ tests. The combined analysis of the laboratory and field test made possible the characterization of the residue and the estimate of necessary constitutive parameters to geotecnical and geo-environment projects. A new methodology was offered to identify the drained conditions in residues which is basead on the normalization of test result in a space of normalized velocity V expressed as a fuction of normalized cone penetration. Values of U are defined as a function of cone penetration (v), diameter of the cone (d) and coefficient of consolidation (Cv), expressed in dimensionless form as V = v.d/Cv. Basead in this methodology drainage conditions have been established, giveng tthe posssibility of separating out the stress paths from drained, partially drained and undrained tests.

Resumo não disponível

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. / 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.

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. / 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.