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The goal of this research project is to identify the efficacy of the ground penetrating radar (GPR) technique in locating underground coal mine related subsidence features at Malakoff and Bastrop, Texas. The work at Malakoff has been done in collaboration with the Railroad Commission of Texas (RRC). RRC has been carrying out reclamation of abandoned underground coal mines at Malakoff since the early 1990’s. The history of the specific mining operations (at Malakoff and Bastrop) that took place in the early 1900’s has been difficult to ascertain; therefore, the use of a geophysical techniques like ground penetrating radar to identify hidden voids and potential subsidence features is vital for future reclamation process. Some of the underground mine workings at the field site have collapsed over time affecting the topography by creating sinkholes. GPR data, employing 25 MHz, 50 MHz and 100 MHz frequency antennae, have been collected in common offset patterns and azimuthal pattern. GPR data indicate the mine tunnels possibly connecting existing sinkholes by radargram hyperbolae that correspond with mine openings observed visually or during reclamation. This study also denotes the importance of understanding the variable physical properties of the stratigraphy, which could lead to false alarms by misinterpretation of the radar signals. Natural and man-made above-ground structures cause obstructions in data collection, and hence an optimal design is required for each survey. RRC successfully ground-truthed the data during its reclamation process. In turn, the acquired geophysical data helped to guide the reclamation. At Bastrop, GPR data along with historical documentation led to the conclusion that coal mining did exist in this region but is not a major concern to the immediate stability and safety of the field site. It can be concluded from both the studies that the GPR technique identifies anomalous shafts/tunnels possibly connecting potential failure.

Die Prognose von Bodenbewegungen in Untersuchungsverfahren der Bergschadenkunde gehört zu einer der grundlegend wichtigen Aufgabenstellungen in Verbindung mit bergbaulichen Arbeiten und ihrer markscheiderischen Begleitung. Die klassischen Untersuchungsmethoden der Bergschadenkunde stützen sich auf markscherische Messungen an der Tagesoberfläche und im Inneren des beobachteten Gebirgsmassives. In neuester Zeit wurden in die quantitative Prognose von Bodenbewegungen verstärkt moderne Untersuchungsmethoden der Geomechanik einbezogen, deren Anwendung sowohl eine Kenntnis der Struktur und der Geometrie der anstehenden geologischen Materialien als auch eine tiefgreifende mechanische Charakterisierung ihres Deformationsverhaltens erfordert und sich damit einer der größten Herausforderungen der geotechnischen Modellierung stellt. / The prediction of soil movements in mining subsidence studies is one of the most important disciplines in connection with mining works and their geodetic measurement control. The classical methods of mining subsidence analysis are based on measaurements of the ground surface. Lately, geomechanic methods have been included into the quantitative prediction soil movements, requiring both detailed knowledge on the structure and geometry of the geologic materials in the ground and a profound characterization of their expected deformation behaviour, leading to one of the greatest challenges in geotechnical modelling.

Die Prognose von Bodenbewegungen in Untersuchungsverfahren der Bergschadenkunde gehört zu einer der grundlegend wichtigen Aufgabenstellungen in Verbindung mit bergbaulichen Arbeiten und ihrer markscheiderischen Begleitung. Die klassischen Untersuchungsmethoden der Bergschadenkunde stützen sich auf markscherische Messungen an der Tagesoberfläche und im Inneren des beobachteten Gebirgsmassives. In neuester Zeit wurden in die quantitative Prognose von Bodenbewegungen verstärkt moderne Untersuchungsmethoden der Geomechanik einbezogen, deren Anwendung sowohl eine Kenntnis der Struktur und der Geometrie der anstehenden geologischen Materialien als auch eine tiefgreifende mechanische Charakterisierung ihres Deformationsverhaltens erfordert und sich damit einer der größten Herausforderungen der geotechnischen Modellierung stellt. / The prediction of soil movements in mining subsidence studies is one of the most important disciplines in connection with mining works and their geodetic measurement control. The classical methods of mining subsidence analysis are based on measaurements of the ground surface. Lately, geomechanic methods have been included into the quantitative prediction soil movements, requiring both detailed knowledge on the structure and geometry of the geologic materials in the ground and a profound characterization of their expected deformation behaviour, leading to one of the greatest challenges in geotechnical modelling.

L’objectif de cette thèse a été de concevoir et développer un simulateur de dommages permettant d’étudier la vulnérabilité d’un territoire soumis à des aléas de mouvements de terrains associés à la présence d’exploitations souterraines. Ce développement repose sur la combinaison d’une méthode de prévision des affaissements miniers, de fonctions de vulnérabilité pour l’évaluation des dommages et d’une base de données des bâtiments. L’enjeu scientifique est le développement de fonctions de vulnérabilité pour les bâtiments en zone d’affaissement minier. Ces fonctions sont comparables à celles utilisées vis-à-vis d’autres aléas comme les séismes et les tsunamis. On a développé et appliqué une méthodologie basée sur des simulations de type Monte-Carlo qui utilise les méthodes existantes d’évaluation des dommages dans les zones d’affaissement minier (méthodes empiriques ou analytiques). Elle permet de prendre en compte l’incertitude sur les paramètres géométriques et mécaniques du bâti. Afin de valider cette méthodologie, les dommages estimés par les fonctions vulnérabilité développées pour des bâtiments en maçonnerie du bassin ferrifère lorrain sont comparées aux dommages observés, consécutifs aux affaissements de 1996 à 1999 en Lorraine. Dans une étape suivante, la méthode des fonctions d’influence a été implémentée dans le simulateur avec certains développements permettant de tenir compte de la variabilité des angles d’influences et permettre le calcul des déformations horizontales du terrain. Les résultats de cette méthode sont validés sur un cas d’affaissement observé dans le bassin ferrifère de lorrain. Enfin, une approche probabiliste d’évaluation des dommages est implémentée pour tenir compte de différents scénarios d’affaissement possibles. L’application sur les bâtiments de la ville de Joeuf, permet d’illustrer les différents résultats obtenus / The objective of this thesis has been the design and the development of a damage simulator for evaluation of building damage in subsidence regions affected by undergrounds excavations. The simulator is combining a method for the subsidence prediction, vulnerability functions for assessment of building damage and a database of buildings. The scientific challenge is the development of vulnerability functions for buildings in subsidence regions. These functions are similar to those used for other hazards such as earthquakes and tsunamis. We then developed and applied a methodology based on Monte-Carlo simulations which involves existing methods of building damage assessment in subsidence area (empirical or analytical methods). It allows to take into account uncertainties on both geometrical and mechanical parameters of buildings. To validate this methodology, damages given by the vulnerability functions developed for masonry buildings in the Lorraine Iron ore field are compared to observed damages, resulting from subsidence from 1996 to 1999 in Lorraine. In a next step, the method of influence functions is implemented in the simulator with developments to take into account variability of the influence angles and to allow the calculation of horizontal ground strain. Results of this method are validated with a subsidence case study in the Lorraine iron ore field. Finally, a probabilistic approach to assess damage is implemented in the simulator to take into account different scenarios of possible subsidence. The application of the simulator on the buildings of the Joeuf city, allows to illustrate the different results

L’objectif de cette thèse est, d’une part, de proposer une amélioration des méthodes d’estimation des cuvettes d’affaissement et des méthodes d’évaluation des dommages susceptibles de se produire sous leurs effets et de l’autre, de développer des outils basés sur ces méthodes pour étudier les affaissements et les dommages sur des cas pratiques. L’étude de l'influence de la topographie sur les cuvettes d'affaissement dans des conditions d’exploitation simplifiées grâce à des modèles numériques avec des profondeurs d'exploitation et des pentes du sol variables a permis de proposer une nouvelle fonction d’influence basée sur une densité de probabilité normale asymétrique lorsque la surface du sol est non-plane. Une modélisation simplifiée des habitations en maçonnerie sous la forme de deux modèles de structures bidimensionnels croisés, alignés avec les axes d’inertie de la structure étudiée et dans lesquels la méthode des déplacements est mise en œuvre pour calculer les efforts internes et les déformations sous l’effet de déplacements imposées des fondations. Ces modèles simplifiés dont les caractéristiques géométriques et mécaniques sont définis pour chaque type de bâtiment étudié permettent d’estimer les efforts appliqués à chaque bâtiment d’une ville exposée à un affaissement de terrain et de fournir de nouveaux critères d’évaluation des dommages prenant en compte davantage d’informations que les méthodes habituelles. Une estimation des dommages dans la ville de Joeuf sur la base des nouvelles méthodes proposées, tant pour le calcul de l’affaissement que pour l’estimation des dommages, a été réalisée / The objective of this thesis is to improve the methods of subsidence computation and building damage evaluation, and to develop some tools based on these methods to study the mining subsidence and building damage cases in Lorraine. By investigating the topography influence on subsidence under simplified mining conditions, and using numerical models with varying mining depths and ground surface angles, a new influence function method, which is based on a probability density function of a skew normal distribution, to simulate the element subsidence, was firstly developed and can be used to compute the mining subsidence caused by the excavation under non-flat surface. Then, plane framed structural models were chosen to study the mechanical behavior of 3D buildings. For each building, two plane models located in the vertical sections passing through the principle inertia axes of the building’s projective polygon were considered. Their geometry and mechanical characteristics were chosen according to the construction type and used materials of the building under consideration. Then, by using the matrix displacement method with some modifications, the internal forces and displacements for the entire structure could be computed. The achieved internal forces could then be compared to damage grade criteria to determine the extent of building damage.Finally, by using the improved methods of subsidence computation and building damage evaluation, a real case application was performed in Joeuf city (France). The subsidence was computed and applied to the defined structural models as support displacements, and then the damage extents of the buildings in Joeuf were predicted