Application of DInSAR techniques to the monitoring of ground deformations

Abstract

The aim of the present thesis has been to test the applicability of the innovative Advanced DInSAR techniques in the natural risk mitigation related to subsidence phenomena. In particular, two test sites have been chosen, both located within alluvial plains and affected by subsidence phenomena: Telese Terme (Italy) where no monitoring network has been installed in spite of the great amount of damaged buildings located in the urban area; Murcia city (Spain) where subsidence has caused damage to structures and infrastructures with an estimated cost of more than 50 million euros. In this second case, the institutions have required studies since '90. For this reason, 20 years of monitoring data are available which have allowed the implementation of an integrated monitoring system based upon satellite DInSAR, conventional field techniques and geotechnical data. Therefore these two areas have been chosen to test different approaches in the use of DInSAR results which can complete a monitoring network where available (as in the case of Murcia city) and replace it where it does not exist (as in the case of Telese Terme). In Murcia case study, the correlation between the temporal evolution of ground surface displacement measures (radar and in situ) and the piezometric groundwater level variation has been analysed to determine mechanisms and critical states of failure; this has permitted to implement a finite element model (FEM) of the phenomenon. Therefore, two models have been carried out: one (called "deep") up to the end of the gravel layer (where the pumping takes place) and one (called "shallow") up to the extensometers' base. The results of the deep model have been compared with DInSAR displacements time series which represent the whole deformation of the stratigraphic column. These comparisons have allowed the individuation of local anomalies of the stiffness values, and have permitted a best model calibration. Moreover, the shallow model results have been compared with the extensometers measurements. These comparisons have showed the occurrence of vertical anisotropies of the permeability. This hypothesis has been verified, analysing the available Lefranc's tests and the most detailed stratigraphic columns and a new model has been proposed. The geotechnical model results have been interpolated through the Ordinary Kriging Radar Errors (OKRE) technique. The achieved deformation maps have been used in the SAR images processing to allow the algorithm to better estimate the no-lineal part of the interferometric phase. In Telese Terme case study, radar measured displacements have allowed to understand the phenomenon spatial extension, its magnitude as same as its historical development. This has permitted the individuation of the causes which provoked damages for some "test buildings". For one of them, a structural model has been implemented; in this case, radar data have been used to verify if its structural response to the displacements detected by SAR corresponded to the overpassing of the limit states. The model results have turned out to have a good correspondence with the forensic analysis achieved in situ. All the proposed approaches could be applied to other scenarios affected by similar phenomena.

El objetivo de la presente tesis ha sido probar la aplicabilidad de las técnicas innovadoras de DInSAR Advanced, en la mitigación de los riesgos naturales relacionados con fenómenos de subsidencia. En particular, se han elegido dos sitios de prueba, ambos ubicados en llanuras aluviales y afectados por fenómenos de subsidencia: Telese Terme (Italia) donde no se ha instalado red de vigilancia, a pesar de la gran cantidad de edificios dañados ubicadas en el área urbana y la ciudad de Murcia (España), donde la subsidencia ha causado daños a las estructuras e infraestructuras con un coste estimado de más de 50 millones de euros. En este segundo caso, las instituciones han requerido estudios desde los años 90.Por esta razón, se dispone de 20 años de datos monitorizados los cuales han permitido la implementación de un sistema integrado de vigilancia basado en el satélite dinSAR, técnicas de datos convencionales y datos geotécnicos. Por lo tanto, para probar diferentes enfoques en el uso de los resultados de DInSAR, se han escogidas estas dos áreas de modo que se pueda completar una red de monitoreo donde esté disponible (como en el caso de la ciudad de Murcia) y reemplazarla donde no existe (como en el caso de Telese Terme). En el caso de Murcia, se ha analizado la correlación entre la evolución temporal de las medidas de desplazamiento de la superficie del suelo (radar in situ) y la variación piezométrica del nivel de las aguas subterráneas para determinar los mecanismos y estados críticos de fracaso. Esto ha permitido poner en práctica un modelo de elementos finitos (FEM) del fenómeno. Teniendo en cuenta estos estudios, se han llevado a cabo dos modelos FEM: uno (llamado "(deep) profundo") hasta el extremo del nivel de grava (donde se lleva a cabo el bombeo) y uno (llamado "(shallow) superficial") hasta la base de los extensómetros. Los resultados del modelo de profundidad han sido comparados con las series temporales de deformación DInSAR que representan toda la deformación de la columna estratigráfica. Estas comparaciones han permitido a la individuación de las anomalías locales de los valores de rigidez, y han permitido una mejor calibración del modelo. Por otra parte, los resultados del modelo superficial (shallow), se han comparado con las mediciones extensométricas. Estas comparaciones han mostrado la ocurrencia de anisotropías verticales de la permeabilidad. Esta hipótesis ha sido verificada, analizando las pruebas disponibles de la Lefranc y las columnas estratigráficas más detalladas y se ha propuesto un nuevo modelo. Los resultados del modelo geotécnico han sido interpolados a través de la técnica "Ordinary Kriging Radar Errors" (OKRE). Los mapas de deformación obtenidos han sido utilizados en el procesado de imágenes SAR para permitir al algoritmo una mejor estimación de la parte no lineal de la fase interferométrica. En el caso de Telese Terme, los desplazamientos radar medidos han permitido comprender la extensión espacial del fenómeno, su magnitud y su desarrollo histórico. Esto ha permitido la individuación de las causas que provocaron daños en algunos edificios "de prueba". Para uno de ellos, se ha implementado un modelo estructural; en este caso, se han utilizados, los datos radar para verificar si su respuesta estructural a los desplazamientos detectados por SAR correspondían a la "superación de los estados límite". Los resultados del modelo han resultado tener una buena correspondencia con el análisis forense conseguida in situ. Todos los aproches propuestos se podrían aplicar a otros escenarios afectados por fenómenos similares.