Time domain reflectometry (TDR) can be used for estimating soil bulk density, it could be used also for Monitoring of soil bulk density over time which makes it useful for slope stability analysis. The methods available in the litrerture revolve around applying TDR on a limited type of soil and reconstructed soil samples in laboratory. Moreover, the equations in the litrerture only refer to estimate dry density. Using TDR on natural soil in the field which has the effect of liquid part with different geological and pedological settings will raise a conceptual problem applying the previously mentioned equations. Therfore in this work algorthim developed by Bittelli 2021 for simultaneous measurement of soil water content and soil dry density using time domain reflectometry was applied on natural soil for many sites. Moreover, new mechine learning model inigrated with Bittelli aligorthim to estimate wet density with time and use the obtained wet density for slope stability analysis. The obtained results showed that Bittellis algorthim can estimate water content and the dry density with a mean absolute percentage error (MAPE) of 27% and 5%, respectively. Moreover, the new Random forests model can estimate soil wet density with accuracy of 3%. The performed stability analyses showed that safety factor is directly and indirectly affected by changing soil wet density over time, confirming that the new proposed method is robust and suitable for field-monitoring applications.
Metodologie di misurazione della massa del suolo e del contenuto d'acqua: applicazione analitica sulla stabilità del pendio. La riflettometria nel dominio del tempo (Time Domain Reflectometry, TDR) può essere impiegata per valutare la densità in condizioni di terreno umido; la possibilità di condurre monitoraggi nel tempo rende la tecnica efficace per la valutazione della stabilità dei pendii soggetti a frane superficiali che richiede la conoscenza di tale parametroIn letteratura la tecnica TDR è stata utilizzata su materiale ricostruito in laboratorio; inoltre, poiché la densità effettiva del terreno è condizionata dal contenuto di acquae le equazioni ad oggi disponibili per l’interpretazione sono riferite alla densità secca, l’impiego della TDR su suoli naturali appartenenti a differenti condizioni geologiche e pedologiche non è attualmente affidabile. Nel presente lavoro, l’algoritmo sviluppato da Bittelli et al per la misurazione contemporanea del contenuto d’acqua e della densità del terreno mediante TDR è stato applicato su terreni in condizioni naturali. In seguito, mediante le tecniche machine learning è stato messo a punto un modello predittivo da integrare con l’algoritmo di Bittelli per stimare la densità del terreno umido in funzione del tempo; il suddetto modello può essere utilizzato per l’analisi della stabilità dei pendii soggetti a frane superficiali. I risultati ottenuti mostrano come l’algoritmo di Bittelli sia in grado di stimare il contenuto d’acqua e la densità secca del terreno con un errore medio assoluto percentuale (Mean Absolute Percentage Error, MAPE) rispettivamente pari al 27% e al 5% per i due parametri. Inoltre, la densità del terreno in condizioni umide è stata stimata con un MAPE pari al 3%. Le analisi di stabilità dei pendii condotte hanno evidenziato come il fattore di sicurezza possa essere influenzato dalla variazione della densità del terreno umido nel tempo, confermando l’efficacia del nuovo metodo proposto e la possibilità di impiegarlo per il monitoraggio in sito.
Methodologies for the measurement of soil bulk density and water content: application to slope stability analysis
ALDELFI, ZAMAN MOHAMMED MAHDI
2021/2022
Abstract
Time domain reflectometry (TDR) can be used for estimating soil bulk density, it could be used also for Monitoring of soil bulk density over time which makes it useful for slope stability analysis. The methods available in the litrerture revolve around applying TDR on a limited type of soil and reconstructed soil samples in laboratory. Moreover, the equations in the litrerture only refer to estimate dry density. Using TDR on natural soil in the field which has the effect of liquid part with different geological and pedological settings will raise a conceptual problem applying the previously mentioned equations. Therfore in this work algorthim developed by Bittelli 2021 for simultaneous measurement of soil water content and soil dry density using time domain reflectometry was applied on natural soil for many sites. Moreover, new mechine learning model inigrated with Bittelli aligorthim to estimate wet density with time and use the obtained wet density for slope stability analysis. The obtained results showed that Bittellis algorthim can estimate water content and the dry density with a mean absolute percentage error (MAPE) of 27% and 5%, respectively. Moreover, the new Random forests model can estimate soil wet density with accuracy of 3%. The performed stability analyses showed that safety factor is directly and indirectly affected by changing soil wet density over time, confirming that the new proposed method is robust and suitable for field-monitoring applications.È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/14343