Three-dimensional interpretation of geophysical and geotechnical investigation of landslides

• Autorzy: Superczyńska Małgorzata , Maślakowski Maciej , Mieszkowski Radosław

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2024.151882

Warianty tytułu

PL

Trójwymiarowa interpretacja badań geotechnicznych i geofizycznych osuwisk

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Effective engineering design of structures requires a thorough understanding of the groundwater conditions of the substrate. In some situations, a three-dimensional survey is necessary. Landslides are examples of such cases. They are complex phenomena, and the main factors significantly influencing their behaviour over time are changes in slope geometry, inclination and water conditions. The article discusses the reconnaissance of the substrate structure in an area threatened by mass movements along a modernized section of a railway line. The analysed area is located in the marginal zone of the North Polish glacial moraine. The geological structure of the substrate consists of: glacial tills, glaciofluvial sands, lacustrine clays, and organic soils found in periodically waterlogged areas and depressions in the terrain. Colluvial deposits, mainly consisting of clayey formations, occur on the slope of the escarpment. Surface geomorphology was interpreted using LIDAR data and field observations. Two-dimensional and three-dimensional electrical resistivity tomography (ERT) was used to obtain a detailed subsurface image, which was verified by borehole drilling and laboratory analysis of soil samples for physical properties, including grain size distribution and plasticity, as well as mechanical properties of soils. This research enabled the creation of a three-dimensional substrate model, showing the spatial distribution of colluvium and areas at risk of active landslides. The results indicate that an integrated approach, combining geophysical imaging and geotechnical reconnaissance, allows for a detailed understanding of the structure and lithology of landslide areas.

PL

Efektywne projektowanie obiektów inżynierskich wymaga dokładnego rozpoznania warunków wodno-gruntowych podłoża. W niektórych sytuacjach koniecznym wydaje się rozpoznanie trójwymiarowe. Do takich przypadków należą osuwiska. Są one zjawiskami złożonymi, a głównymi czynnikami, które mają znaczący wpływ na ich zachowanie się w czasie, są zmiany geometrii i nachylenia skarp oraz zmiany warunków wodnych. W artykule omówiono rozpoznanie budowy podłoża w rejonie zagrożonym ruchami masowymi, w ciągu modernizowanego odcinka linii kolejowej. Analizowany obszar znajduje się w strefie brzeżnej moreny zlodowacenia północnopolskiego. Budowa geologiczna podłoża to gliny lodowcowe i piaski wodnolodowcowe, iły zastoiskowe oraz grunty organiczne występujące na terenach okresowo podmokłych i w obniżeniach terenu. Na zboczu skarpy występują koluwia, głównie są to utwory ilaste. Geomorfologia powierzchni została zinterpretowana z danych LIDAR oraz wizji terenowej. Tomografia elektrooporowa 2D i 3D (ERT) została wykorzystana w celu uzyskania szczegółowego obrazu podpowierzchniowego, który został zweryfikowany za pomocą wierceń badawczych i analizy laboratoryjnej próbek gruntu pod kątem właściwości fizycznych, w tym granulometrii i plastyczności, oraz własności mechanicznych gruntów. Badania umożliwiły stworzenie trójwymiarowego modelu podłoża, pokazały przestrzenne rozmieszczenie koluwiów oraz obszary zagrożone aktywnymi osuwiskami. Wyniki badań wskazują, że zintegrowane podejście, polegające na równoczesnym obrazowaniu geofizycznym i rozpoznaniu geotechnicznym, pozwala na szczegółowe zrozumienie struktury i litologii obszarów osuwiskowych.

Słowa kluczowe

EN

3D model; geotechnical model; electrical resistivity tomography; geophysical technique; landslide

PL

model geotechniczny; model 3D; badanie geofizyczne; osuwisko; tomografia elektrooporowa

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 70, nr 4
• Strony: 99--111
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Superczyńska Małgorzata

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-6603-0577

autor

Maślakowski Maciej

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-2946-1594

autor

Mieszkowski Radosław

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-4021-4965

Bibliografia

• [1] K. Terzaghi, “Mechanism of landslides”, in Application of geology to engineering practice. Geological Society of America, 1950, pp. 83-123, doi: 10.1130/Berkey.1950.83.
• [2] L. Wysokiński, “The methods of landslides prediction and their protection”, in XXV Scientific Conference Building failures. Szczecin, Poland, 2011, pp. 291-320.
• [3] W. Mizerski, Geologia dynamiczna. Warszawa, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2018.
• [4] M. Książkiewicz, Geologia dynamiczna. Warszawa, Wydawnictwa Geologiczne, 1979.
• [5] Z. Perski, “Zaawansowane techniki InSAR w monitorowaniu osuwisk”, Przegląd Geologiczny, vol. 67, nr 5, pp. 351-359, 2019, doi: 10.7306/2019.29.
• [6] J. Wasowski and F. Bovenga, “Investigating landslides and unstable slopes with satellite Multi Temporal Interferometry: Current issues and future perspectives”, Engineering Geology, vol. 174, pp. 103-138, 2014, doi: 10.1016/j.enggeo.2014.03.003.
• [7] T. Wojciechowski. A. Borkowski, Z. Perski, and A. Wójcik, “Dane lotniczego skaningu laserowego w badaniu osuwisk – przykład osuwiska w Zbyszycach (Karpaty zewnętrzne)”, Przegląd Geologiczny, vol. 60, nr 2, pp. 95-102, 2012.
• [8] A. Perrone, G. Zeni, S. Piscitelli, A. Pepe, A. Loperte, V. Lapenna, and R. Lanari, “Joint analysis of SAR interferometry and electrical resistivity tomography surveys for investigating ground deformation: the case-study of Satriano di Lucania (Potenza, Italy)”, Engineering Geology, vol. 88, no. 3-4, pp. 260-273, 2006, doi: 10.1016/j.enggeo.2006.09.016.
• [9] M. Jaboyedoff, T. Oppikofer, A. Abellán, et al., “Use of LIDAR in landslide investigations: a review”, Natural Hazards, vol. 61, pp. 5-28, 2012, doi: 10.1007/s11069-010-9634-2.
• [10] J. Merritt, J.E. Chambers, W. Murphy, et al., “3D ground model development for an active landslide in Lias mudrocks using geophysical, remote sensing and geotechnical methods”, Landslides, vol. 11, pp. 537-550, 2014, doi: 10.1007/s10346-013-0409-1.
• [11] M. Tarnawski, Z. Frankowski, T. Godlewski, et al., Badanie podłoża budowli. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2020.
• [12] J. Weil, I. Pöschl, and J. Kleberger, “Innovative 3D ground models for complex hydropower projects”, in Sustainable and Safe Dams Around: Proceedings of the ICOLD 2019 Symposium. CRC Press, 2021, doi: 10.1201/9780429319778.
• [13] J. Witter, J. Glen, D. Siler, and D. Fournier, “2D and 3D Potential Field Mapping and Modelling at the Fallon FORGE site, Nevada, USA”, Geothermal Resources Council Transactions, vol. 42, 2018. [Online]. Available: https://pubs.usgs.gov/publication/70201802.
• [14] T. Godlewski, R. Mieszkowski, and M. Maślakowski, “From legend to discovery – historical and geotechnical conditions related to the discovery of tunnels under The Castle Hill in Szczecin”, Archives of Civil Engineering, vol. 69, no. 1, pp. 453-467, 2023, doi: 10.24425/ace.2023.144183.
• [15] M. Maślakowski, A. Lejzerowicz, G. Pacanowski, and R. Kuszyk, “The use of non-invasive ERT method to diagnose arst in roadengineering in the Lublin Upland (Poland)”, Archives of Civil Engineering, vol. 70, no. 1, pp. 557-571, 2024, doi: 10.24425/ace.2024.148928.
• [16] S. Tomecka-Suchoń, B. Żogała, T. Gołęebiowski, G. Dzik, T. Dzik, and K. Jochymczyk, “Application of electrical and electromagnetic methods to study sedimentary covers in high mountain areas”, Acta Geophysica, vol. 65, pp. 43-755, 2017, doi: 10.1007/s11600-017-0068-z.
• [17] M. H. Loke, Tutorial: 2-D and 3-D electrical imaging surveys. Malaysia: Geotomosoft Solutions, 1996-2021.
• [18] L. Zabuski, “Three-dimensional analysis of a landslide process on a slope in Carpathian Flysch”, Archives of Hydro-Engineering and Environmental Mechanics, vol. 66, no. 1-2, pp. 27-45, 2019, doi: 10.1515/heem-2019-0003.
• [19] B. Pasierb, M. Grodecki, and R. Gwóźdź, “Geophysical and geotechnical approach to a landslide stability assessment: a case study”, Acta Geophysica, vol. 67, pp. 1823-1834, 2019, doi: 10.1007/s11600-019-00338-7.
• [20] S. Friedel, A Thielen, and S.M. Springman, “Investigation of a slope endangered by rainfall-induced landslides using 3D resistivity tomography and geotechnical testing”, Journal of Applied Geophysics, vol. 60, no. 2, pp. 100-114, 2006, doi: 10.1016/j.jappgeo.2006.01.001.
• [21] Ł. Kaczmarek, R. Mieszkowski, M. Kołpaczyński, and G. Pacanowski, “Application of electrical resistivity tomography (ERT) in the investingation of quaternary land slidezones, based on the selected regions of Płock slope”, Studia Quaternaria, 2014, vol. 31, no. 2, pp. 101-107, 2014, doi: 10.2478/squa-2014-0010.
• [22] D. Jongmans and S. Garambois, “Geophysical investigation of landslides: a review”, Bulletin de la Société Géologique de France, vol. 178, no. 2, pp. 101-112, 2007, doi: 10.2113/gssgfbull.178.2.101.
• [23] A. Malehmir, M. Bastani, Ch.M. Krawczyk, M. Gurk, N. Ismail, U. Polom, and L. Perss, “Geophysical assessment and geotechnical investigation of quick-clay landslides – a Swedish case study”, Near Surface Geophysics, vol. 11, no. 3, pp. 341-352, 2013, doi: 10.3997/1873-0604.2013010.
• [24] Y.A. Fata, Hendrayanto, Erizal, and S.D. Tarigan, “2D and 3D ground model development for mountainous landslide investigation”, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, vol. 871, 2021, doi: 10.1088/1755-1315/871/1/012057.
• [25] A. Bichler, P. Bobrowsky, M. Best, M. Douma, J. Hunter, T. Calvert, and R. Burns, “Three-dimensional mapping of a landslide using a multi-geophysical approach: the Quesnel Forks”, Landslides, vol. 1, pp. 29-40, 2004, doi: 10.1007/s10346-003-0008-7.
• [26] J. E. Chambers, P. B.Wilkinson, O. Kuras, et al., “Three-dimensional geophysical anatomy of an active landslide in Lias Group mudrocks, Cleveland Basin, UK”, Geomorphology; vol. 125, no. 4, pp. 472-484, 2011, doi: 10.1016/j.geomorph.2010.09.017.
• [27] S. Rezaei, I. Shooshpasha, and H. Rezaei, “Reconstruction of landslide model from ERT, geotechnical, and field data, Nargeschal landslide, Iran”, Bulletin of Engineering Geology and the Environment, vol. 8, pp. 3223-3237, 2019, doi: 10.1007/s10064-018-1352-0.
• [28] J.E. Mojski, Objaśnienia do szczegółowej Mapy Geologicznej Polski 1:50 000. Arkusz Gdansk (27). Warszawa: Polish Geological Institute – National Research Institute, 2020. [Online]. [Accessed: 29. Mar. 2024].
• [29] Polish Geological Institute – National Research Institute, “Landslide Counteracting System”. [Online]. Available: https://geoportal.pgi.gov.pl/portal/page/portal/SOPO/. [Accessed: 29. Mar. 2024].
• [30] T. Dahlin, “2D resistivity surveying for environmental and engineering applications”, First Break, vol. 14, no. 7, pp. 275-284, 1996, doi: 10.3997/1365-2397.1996014.
• [31] M.H. Loke and R.D. Barker, “Rapid least-squares inversion of apparent resistivity pseudosections by a quasi-Newton method”, Geophysical Prospecting, vol. 44, no. 1, pp. 131-152, 1996, doi: 10.1111/j.1365-2478.1996.tb00142.x.
• [32] W.J. Mościcki and J. Antoniuk, “The method of electrical resistivity tomography. The examples of investigations for engineering-geology aims”, in 5. Scientifically-technical Conference: geophysics in geology, the mining and the protection of the environment. Krakow, Poland, 1998, pp. 315-325.
• [33] M.H. Loke, H. Kiflu, P.B. Wilkinson, D. Harro, and S. Kruse, “Optimized arrays for 2D resistivity surveys with combined surface and buried arrays”, Near Surface Geophysics, vol. 13, no. 5, pp. 505-518, 2015, doi: 10.3997/1873-0604.2015038.
• [34] S. Ostrowski, G. Pacanowski, E. Majer and M. Sokołowska, Badania geologiczno-inżynierskie. Geofizyka inżynierska. Warszawa: Państwowy Instytut Geologiczny – Państwowy Instytut Badawczy, 2023 [Online]. Available: https://geoportal.pgi.gov.pl/css/atlasy_gi/images/publikacje/geofizyka-inzynierska.pdf. [Accessed: 29. Mar. 2024].