Experimental study on shallow landslide stability : monitoring tools and modelling

The study of landslide stability encompasses a range of methods aimed at the modelling and understanding the processes leading to the onset of instability of a certain terrain. In order to have a detailed look at the mechanism of rupture, various monitoring tools could be employed. Given the vast spatial extension of landslides, the physical phenomenon could be minimized, thus allowing for the controlled study of the undergoing processes with a modest resolution, both spatially and temporally. Such an approach can be useful to investigate the triggering mechanism leading to the collapse of instable soil masses as well as for testing of state-of-the-art monitoring instrumentation. The present thesis work focuses on an artificial flume designed to accommodate small-scale shallow landslides triggered by heavy intensity rainfall. For this purpose a rainfall simulator was designed and built to reproduce an intensive and homogeneous precipitation using a network of spray nozzles, arranged to obtain the best spatial uniformity of the reproduced rain. The reproduced smallscale shallow landslides were monitored with different monitoring tools (optical fiber sensors, time domain reflectometer (TDR), georesistivimeter) that allowed to characterize the slope and determine its hydrogeological conditions as well as to detest onset of instability. The optical fiber sensing system has been particularly focused on, due to the promising results that this technology unveiled in light of its future application as a landslide stability monitoring tool. Moreover, this study investigates the application of several models for shallow landslide stability assessment all of which yield a safety factor as a function of time as a results. The instability instants obtained by the implemented analytical models were compared to the real collapse time observed in the simulating small-scale shallow landslide, highlighted the reliability of the models in different hydrogeological conditions. From the results it emerged that the implemented models provide an instability time that is comparable with the time of the observed slope collapse. A sensitivity analysis on the results demonstrated that the effectiveness of the models is highly dependent on the different hydrogeological and geometrical conditions and that the variation in the homogeneity of the hydrogeological conditions has a great impact on the ability of the model to estimate correctly the collapse instant.

Lo studio della stabilità delle frane comprende una serie di metodi mirati a modellare e comprendere i processi che portano all'instaurarsi dell'instabilità nel terreno. Per avere uno sguardo più dettagliato sul meccanismo di rottura possono essere impiegati vari strumenti di monitoraggio. Data l'estensione spaziale delle frane, per consentire lo studio controllato dei processi idrogeologici che si instaurano nel pendio, il fenomeno fisico deve essere ridotto. Un simile approccio può essere utile per indagare sul meccanismo di innesco che porta al collasso di masse di terra instabili e per effettuare test sulle possibili strumentazioni di monitoraggio. Il presente lavoro di tesi si concentra sulla simulazione di frane superficiali a piccola scala innescate da forti piogge. Il simulatore di pioggia è stato progettato e costruito per riprodurre una precipitazione omogenea, utilizzando una rete di ugelli a spruzzo disposti in modo da ottenere la migliore uniformità spaziale della pioggia riprodotta. Le frane superficiali sono state monitorate con diversi strumenti di monitoraggio (sensori a fibra ottica, riflettometro nel dominio del tempo (TDR), georesistivimetro) per caratterizzare la pendenza e determinare le sue condizioni idrogeologiche. I dati ottenuto dalla fibra ottica sono stati analizzati in dettaglio per verificare la capacità di tale tecnologia nel captare l’insorgenza di fenomeni di instabilità nel pendio. Inoltre, questo studio indaga sull'applicazione di diversi modelli numerici per valutare la stabilità delle frane. I tempi di instabilità ottenuti con i modelli analitici sono stati confrontati il tempo reale di collasso osservato nelle varie simulazioni. Questo confronto ha evidenziato l'affidabilità o meno dei modelli nelle diverse condizioni idrogeologiche del terreno. Dai risultati emerge che i modelli implementati forniscono un tempo di instabilità che è paragonabile al tempo di collasso della frana simulata. L' analisi di sensibilità sui risultati dei modelli analitici dimostra che l'efficacia dei modelli dipende fortemente dalle diverse caratteristiche idrogeologiche e geometriche del pendio analizzato.