Geodetic methods in geotechnics - monitoring and analysis of landslides

Se vzrůstající potřebou společnosti rozšiřovat lokality, určené k investiční výstavbě, roste i význam schopnosti zabezpečit zájmová území z hlediska bezpečnosti jak v průběhu výstavby, tak i po dobu funkčního období staveb. To je důležité zejména v oblastech opětovného využití území jako je výstavba na tzv. brownfields, kde může být území negativně ovlivněno předchozí (a často špatně dokumentovanou) činností člověka. Bezpečností máme na mysli i posouzení vlastností základových zemin a jejich možné interakce s okolím, zejména při jejich pohybu. Tuto otázku je nutno řešit především v oblastech svahů, kde při určité shodě okolností a vlivů (ať již přírodního nebo antropogenního původu) může dojít k sesuvu, jehož následkem může být značná škoda na majetku nebo dokonce zdraví či životě osob. Pokud již pohyb zeminy nastal, vyvstává potřeba rychle a přesně analyzovat dynamiku chování svahu a stanovit jak ohroženou oblast, tak časový harmonogram pohybu celého svahu. Při sledování geodetického hlediska takového monitoringu se úloha v zásadě zužuje na rychlé a dostatečně přesné určení prostorových změn referenčních bodů svahu a následnou analýzu těchto změn. Jednou z moderních metod sběru prostorových dat je určování polohy pomocí družicových systémů. Prvním masově rozšířeným zástupcem byl a stále je systém NAVSTAR-GPS. Jeho dostupnost běžnému uživateli ještě více vzrostla s postupným zprovozňováním národních sítí permanentních referenčních stanic, u nás je to síť CZEPOS. Vzhledem k velkému rozšíření této technologie, snadnosti jejího používání i obsluhy aparatur je první část práce věnována analýze možností využití geodetických přijímačů GPS, pracujících v síti CZEPOS, pro sledování změn polohy bodu s dostatečnou přesností i při velmi krátkých observacích. Vzhledem ke své činnosti v důlním měřictví jsem se dostal k problematice měření sesuvů a to zejména v lokalitách kaolinových lomů. Toto prostředí má pro studium pohybů svahu svá specifika, ale jako modelová území mají tu výhodu, že sesuvy zde probíhají na jednoznačně ohraničeném území a takovou rychlostí, že lze v poměrně krátké době vyhodnotit chování svahu během celého trvání jeho pohybu. Pro účely přesného odhadu případných důlních škod nebo návrhu protiopatření vyvstala potřeba efektivního, rychlého a ekonomicky výhodného monitorování svahu a to jak ve fázi sběru prostorových dat, tak i při analýze souboru naměřených údajů. V disertační práci jsou shrnuty běžně používané postupy monitorování a podrobně rozebrána možnost využití technologie GPS v kombinaci se síti permanentních referenčních stanic CZEPOS pro určování svahových deformací při krátkých observačních časech. V druhé části práce je pak řešen problém analýzy prostorových dat a je zde navržena nová metoda modelování kinematiky a dynamiky svahu v pohybu pomocí tzv. spline funkcí. Analýza kinematiky a dynamiky svahu, reprezentovaného trajektoriemi (spline křivkami) monitorovaných bodů, je poté konfrontována s daty o dešťových srážkách pro období geodetického monitoringu.With increasing need of new construction sites, the importance of safety of the re-used site (brownfield) before-, during- and after-construction process increases as well. Based on the assignment of the Research Program no. MSM 6840770005 "Sustainable Construction", I have solved two different tasks. The first part of the work deals with the analysis of GPS (Global Positioning System) potential for landslide monitoring. The second part describes a new approach to the landslide monitoring analysis, using time-dependent vector function built-up by cubic splines. In January 2007, the Czech network of permanent reference stations (called CZEPOS) became fully operational (following two years of testing-mode). This fact offered possibilities of using the GPS for the wider area of commercial land surveyors. With support of Virtual Reference Stations and on-line data provided via cell phone (GSM) network, the real-time network method became a commonly used one. Being interested in different techniques of land-displacement measurement, I have made a brief study of RTK precision to estimate possibilities of the Network RTK using CZEPOS for purposes of geotechnic monitoring of land slides in real time. In my thesis I describe a testing methodology, which resulted in estimation of point-position precision. Finally, I derive equations describing minimal detectable positional change, depending on the satellites-rover geometric configuration (described by relative dilution of precision) and signal quality, which could be achieved by the real time kinematic method in the CZEPOS network. Based on results it is concluded that position changes could be detected with centimetre accuracy even with short-period observations. Landslides are processes that result in the movement of soil and rock with different speeds and areas affected. The analysis and estimation of landslide-affected slope behaviour is of great importance because of social and economic impacts of landslides. In this paper, the results of research and experimental landslide monitoring are presented. This study focused on modelling the trajectory of a monitoring point using specially designed spline curves, introducing the cubic spline vector function. When designing the spline vector function, real landslide monitoring results relevant to the initial conditions were used. In further analysis, tools of analytic and differential geometry were used in order to derive the properties of such curves, such as their curvature, torsion, Frenet vectors and Darboux vector, and to plot their relevance to landslide behaviour. In addition, numerical results based on real landslide monitoring are presented. Using the parameters of the spline curve designed, the possibility of working with splines as monitoring point trajectories is described.katedra speciální geodézi