Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第16788号 / 工博第3509号 / 新制||工||1531(附属図書館) / 29463 / 京都大学大学院工学研究科都市社会工学専攻 / (主査)教授 清野 純史, 教授 小池 武, 准教授 古川 愛子 / 学位規則第4条第1項該当

<p>X-ray fluorescence (XRF) detection of heavy metals is a cost- and time-effective method for investigation of polluted areas. Compared to laboratory analysis, XRF analysis is limited by high detection limits and uncertainties in some situations. Preparation of samples is known to affect the results of measurements.</p><p>The purpose of this thesis is to bring a deeper understanding of how different factors affect the results of XRF-analysis. A large number of measurements have been made with the instruments Niton XLt 700 and Niton Xli 700. Results from measurements of lead, zinc and copper have been analysed.</p><p>This study has shown that a greater moisture content will give a lower measured concentration for the same sample. If the moisture content is known, it is possible to make good approximations of concentrations in dry samples. No obvious differences were found between different metals.</p><p>Proper homogenisation of samples was found to be one of the most critical issues. It should be noted that laboratories do not usually homogenise samples prior to analysis, so samples sent for laboratory verification should therefore be homogenised before sending.</p><p>Sample preparation, including drying, sieving to finer grain-sizes and analysing in a special sample cup was found to increase the measured concentrations and decrease the variation between measurements. The concentrations differed with different sample matrices and with sample preparation. Because of the differences, measurements should always be correlated with laboratory analysis before any conclusions can be made. In situations when metals are well within detection range of the XRF instrument, the only preparation needed is in most cases homogenisation. If metal levels are just at the limit, or just below the detection limit, further preparations of samples should be made. When drying samples makes detection possible, more preparation is usually not worth the effort. If detection limits still are a problem after drying, the samples should be sieved and analysed in sample cups. In situations where concentrations still are below the</p><p>detection limit when analysing in sample cups, or if the measurements are disturbed for other reasons, another method than XRF-analysis must be used. When XRF analysis is possible, the method is preferable compared to only laboratory analysis. This cost- and time effective method makes a larger number of measurements possible, and gives a more complete overview of a polluted area.</p> / <p>Analys med röntgenfluorescensdetektor (XRF) är en snabb och kostnadseffektiv fältmetod för detektion av tungmetaller i mark. Nackdelen är att mätningarna inte är tillförlitliga i alla sammanhang och att detektionsgränsen för många ämnen är förhållandevis hög. Det är sedan tidigare känt att olika former av provbearbetning påverkar mätresultaten.</p><p>I detta examensarbete har undersökts hur olika faktorer påverkar mätresultaten vid analys av jordprover med XRF instrument. Faktorerna som undersökts är inverkan av vattenkvot, kornstorlek, provpåsar och olika provbearbetningsmetoder. Vid provbearbetningsförsöken skickades prover även in till externt laboratorium för jämförande analys. Metaller som undersökts är bly, zink och koppar.</p><p>Vid undersökningen konstaterades att en ökad vattenkvot ger upphov till lägre mätvärden. Vid kännedom om vattenkvot kan halt per torrsubstans med god överensstämmelse uppskattas utifrån mätningar på fuktiga prov. Är precisionskraven stora och vattenkvoten varierande och okänd bör dock proverna torkas innan mätningar görs. Ingen avsevärd skillnad sågs mellan de olika metaller som undersöktes.</p><p>Vid undersökningen om provbearbetningens betydelse visade det sig att homogeniseringen av proverna är mycket viktig, inte minst av prover som skickas till laboratorieanalys.</p><p>Ökad provbearbetning med torkning och siktning till mindre kornstorlek tenderar att ge högre mätvärden med XRF instrument. Storleksmässigt är mätvärden vid obearbetade prov mest överensstämmande med laboratorieanalys. Mest skiljer sig analys på finsiktade prover i provkopp. Korrelationsmässigt finns i en del fall en tendens till bättre överensstämmelse med mer bearbetade prov. Den största vinsten med ökad bearbetning av prover konstaterades i detta arbete vara att mark med lägre metallkoncentrationer då kan analyseras.</p><p>I de fall där halterna av metaller ligger väl inom XRF instrumentets detektionsområde visade det sig att det oftast är tillräckligt att endast homogenisera proverna innan analys görs. I de fall där koncentrationen av metaller är på gränsen till vad XRF instrumentet kan detektera rekommenderas att proverna torkas, eller om nödvändigt torkas, siktas och analyseras i provkopp. Där nivåerna av metaller ligger under detektionsgränsen för XRF instrument trots provbearbetning, eller där andra ämnen till exempel järn stör mätningarna, måste en annan analysmetod väljas.</p>

X-ray fluorescence (XRF) detection of heavy metals is a cost- and time-effective method for investigation of polluted areas. Compared to laboratory analysis, XRF analysis is limited by high detection limits and uncertainties in some situations. Preparation of samples is known to affect the results of measurements. The purpose of this thesis is to bring a deeper understanding of how different factors affect the results of XRF-analysis. A large number of measurements have been made with the instruments Niton XLt 700 and Niton Xli 700. Results from measurements of lead, zinc and copper have been analysed. This study has shown that a greater moisture content will give a lower measured concentration for the same sample. If the moisture content is known, it is possible to make good approximations of concentrations in dry samples. No obvious differences were found between different metals. Proper homogenisation of samples was found to be one of the most critical issues. It should be noted that laboratories do not usually homogenise samples prior to analysis, so samples sent for laboratory verification should therefore be homogenised before sending. Sample preparation, including drying, sieving to finer grain-sizes and analysing in a special sample cup was found to increase the measured concentrations and decrease the variation between measurements. The concentrations differed with different sample matrices and with sample preparation. Because of the differences, measurements should always be correlated with laboratory analysis before any conclusions can be made. In situations when metals are well within detection range of the XRF instrument, the only preparation needed is in most cases homogenisation. If metal levels are just at the limit, or just below the detection limit, further preparations of samples should be made. When drying samples makes detection possible, more preparation is usually not worth the effort. If detection limits still are a problem after drying, the samples should be sieved and analysed in sample cups. In situations where concentrations still are below the detection limit when analysing in sample cups, or if the measurements are disturbed for other reasons, another method than XRF-analysis must be used. When XRF analysis is possible, the method is preferable compared to only laboratory analysis. This cost- and time effective method makes a larger number of measurements possible, and gives a more complete overview of a polluted area. / Analys med röntgenfluorescensdetektor (XRF) är en snabb och kostnadseffektiv fältmetod för detektion av tungmetaller i mark. Nackdelen är att mätningarna inte är tillförlitliga i alla sammanhang och att detektionsgränsen för många ämnen är förhållandevis hög. Det är sedan tidigare känt att olika former av provbearbetning påverkar mätresultaten. I detta examensarbete har undersökts hur olika faktorer påverkar mätresultaten vid analys av jordprover med XRF instrument. Faktorerna som undersökts är inverkan av vattenkvot, kornstorlek, provpåsar och olika provbearbetningsmetoder. Vid provbearbetningsförsöken skickades prover även in till externt laboratorium för jämförande analys. Metaller som undersökts är bly, zink och koppar. Vid undersökningen konstaterades att en ökad vattenkvot ger upphov till lägre mätvärden. Vid kännedom om vattenkvot kan halt per torrsubstans med god överensstämmelse uppskattas utifrån mätningar på fuktiga prov. Är precisionskraven stora och vattenkvoten varierande och okänd bör dock proverna torkas innan mätningar görs. Ingen avsevärd skillnad sågs mellan de olika metaller som undersöktes. Vid undersökningen om provbearbetningens betydelse visade det sig att homogeniseringen av proverna är mycket viktig, inte minst av prover som skickas till laboratorieanalys. Ökad provbearbetning med torkning och siktning till mindre kornstorlek tenderar att ge högre mätvärden med XRF instrument. Storleksmässigt är mätvärden vid obearbetade prov mest överensstämmande med laboratorieanalys. Mest skiljer sig analys på finsiktade prover i provkopp. Korrelationsmässigt finns i en del fall en tendens till bättre överensstämmelse med mer bearbetade prov. Den största vinsten med ökad bearbetning av prover konstaterades i detta arbete vara att mark med lägre metallkoncentrationer då kan analyseras. I de fall där halterna av metaller ligger väl inom XRF instrumentets detektionsområde visade det sig att det oftast är tillräckligt att endast homogenisera proverna innan analys görs. I de fall där koncentrationen av metaller är på gränsen till vad XRF instrumentet kan detektera rekommenderas att proverna torkas, eller om nödvändigt torkas, siktas och analyseras i provkopp. Där nivåerna av metaller ligger under detektionsgränsen för XRF instrument trots provbearbetning, eller där andra ämnen till exempel järn stör mätningarna, måste en annan analysmetod väljas.

L’évolution actuelle de l’ingénierie géotechnique place la maîtrise des risques d’origine géotechnique au cœur de ses objectifs. On constate aussi que la complexité des projets d’aménagement (à travers les objectifs coûts/délais/performances qui sont recherchés) est croissante et que les terrains choisis pour les recevoir présentent, quant à eux, des conditions géotechniques de plus en plus souvent « difficiles ». Ces conditions défavorables se traduisent par une variabilité forte des propriétés des sols, rendant leur reconnaissance et leur analyse plus complexe. Ce travail de thèse traite de la caractérisation de la variabilité naturelle des sols et des incertitudes liées aux reconnaissances géotechniques dans le but de mieux les prendre en compte dans les dimensionnements des ouvrages. Il se positionne dans le contexte de la maîtrise des risques de projet d’origine géotechnique. Les principaux outils statistiques servant à décrire la dispersion des données et leur structuration spatiale (géostatistique), ainsi que des méthodes probabilistes permettant d’utiliser leur résultats dans des calculs, sont présentés sous l’angle de leur application en géotechnique. La démarche est appliquée à un projet de plate-forme ferroviaire. Cette infrastructure a été implantée sur un site géologiquement et géotechniquement complexe, et présente aujourd’hui des déformations importantes dues aux tassements des sols. Une nouvelle analyse des données géotechniques a donc été entreprise. Elles ont, au préalable, été regroupées dans une base de données qui a facilité leur traitement statistique et géostatistique. Leur variabilité statistique et spatiale a été caractérisée permettant une meilleure compréhension du site. Le modèle géologique et géotechnique ainsi établi a ensuite été utilisé pour calculer les tassements. Une démarche en trois temps est proposée : globale, locale et spatialisée permettant une estimation des tassements et de leur incertitude, respectivement, à l’échelle du site, aux points de sondages, et spatialisée sur la zone d’étude. Les résultats montrent clairement l’intérêt des méthodes statistiques et géostatistiques pour la caractérisation des sites complexes et l’élaboration d’un modèle géologique et géotechnique du site adapté. La démarche d’analyse des tassements proposée met en avant le fait que les incertitudes des paramètres se répercutent sur les résultats des calculs de dimensionnement et expliquent le comportement global de l’infrastructure. Ces résultats peuvent se traduire sous forme d’une probabilité de ruine qui peut ensuite être utilisée dans un processus de prise de décision et de management des risques. D’une manière plus large, ce travail de thèse constitue une contribution à l’élaboration et l’analyse des campagnes de reconnaissances géotechniques, en ayant le souci d’identifier, d’évaluer et de prendre en compte la variabilité et les incertitudes des données lors des différentes phases du projet pour permettre une meilleure maîtrise du risque d’origine géotechnique. / The current evolution of the geotechnical engineering places the risk management of geotechnical origin in the heart of its objectives. We also notice that the complexity of the projects of development (through the objectives costs/deadline/performances which are sought) is increasing and that soil chosen to receive them present unusual geotechnical conditions. These unfavourable conditions usually mean a strong variability of the soil properties, which induces soil investigation and data analysis more difficult. This work of thesis deals with the characterization of the natural variability of soils and with the uncertainties dues to geotechnical investigations, with the aim to better take them into account in geotechnical engineering project. This work takes place in the context of the management of the risk of project with geotechnical origin. The main statistical tools used for describe the scattering of the data and their spatial variability (geostatistic), as well as the probabilistic methods enabling to use their results in calculations, are presented under the view of their application in geotechnical design. The approach is applied to a project of railway platform. This infrastructure was located on a site where the geology and the geotechnical conditions are complex, and which present important deformations due to the soil settlements. A new analysis of geotechnical data was started again. First, geotechnical data were included in a database in order to ease their statistical and geostatistical treatment. Their statistical and spatial variability were characterized allowing a better understanding of the site. The geologic and geotechnical model so established was then used to assess the settlement effects. An analysis in three levels is proposed: global, local and spatial, which give means to estimate the settlement values and its uncertainty, respectively, on the scale of the site, on the boring points, and on zone of study according to the spatial connectivity of soil properties. The results clearly show the interest of statistical and geostatiscal methods in characterizing complex sites and in the elaboration of a relevant geologic and geotechnical model. The settlement analysis proposed highlight that the parameter uncertainties are of first importance on the design calculations and explain the global behaviour of the infrastructure. These results can be translated in the form of a reliabilitry analysis which can be then used in a process of decision-making and risk management. In a wider way, this work of thesis contributes toward the elaboration and the analysis of the geotechnical investigations, with the aim to identify, to estimate and to take into account the variability and the uncertainties of the data during the various stages of the project. It leads to better control of the risk of geotechnical origin.