Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-14777
For citation please use:
Main Title: Shear strength estimation of rock discontinuities – Are the present roughness quantifications forward-looking for engineering use?
Translated Title: Abschätzung der Scherfestigkeit von Felstrennflächen – Sind die gegenwärtigen Quantifizierungen der Rauigkeit für den technischen Gebrauch zukunftsweisend?
Author(s): Marsch, Kristofer
Advisor(s): Fernandez-Steeger, Tomas M.
Referee(s): Fernandez-Steeger, Tomas M.
Thuro, Kurosch
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/16003
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-14777
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Abstract: When the subsurface is used for technical structures such as caverns or artificial slopes, the natural stress balance is disturbed. As a result, the stresses redistribute. Naturally, preexisting zones of weakness, e.g. faults, and "planar breaks" of all kinds, commonly referred to as discontinuities, are places where stresses concentrate. Since discontinuities determine the overall strength of a rock mass, means are needed to determine the strength of these planes of weakness. To this end, numerous empirical criteria have been proposed. They are all based on index parameters, among which the roughness of the shear surfaces plays an important role. In this thesis, the measurement and quantification of the surface roughness are investigated. The focus is directed towards (i) the deficiencies of the quality of the surface representations in past studies and (ii) the lack of comprehensive documentation together with unknown sensitivity of the calculation schemes. Consequently, light is to be shed on whether complex roughness parameterisation and detailed surface mapping are constructive towards better shear strength estimation. To answer these questions, state-of-the-art optical measurement techniques for the generation of 3D surface models are evaluated in chapter 2. Special attention is given to the capabilities of Structure-from-Motion/Dense Image Matching (SfM/DIM) techniques for obtaining high-resolution micro relief maps of some tensile fractures. The metrological reference data on surface models produced with a terrestrial laser scanner (TLS), SfM/DIM and a hand-held scanner were generated with a structured light scanner. Since the comparison of geometric data generated by different scanners suffers heavily from registration errors, the statistical and fractal roughness parameters derived from the 3D models are compared directly. From the analysis of the distributions of the Joint Roughness Coefficient (JRC) and Grasselli’s roughness parameter (GP), it is concluded that SfM/DIM produces data suitable for the evaluation of micro-roughness. On the other hand, the derivation of micro-roughness from TLS data should be discarded. Furthermore, large differences in the calculation of the JRC between statistical and fractal methods become apparent. This finding leads as if by itself to the second study of this thesis in chapter 3. All correlations of JRC with statistical and fractal indices are based on Barton’s well-known and widely accepted type-profiles. For virtually every correlation equation, the standard chart has been digitised, although not always with due care. The renewed evaluation of three data sets of the type profiles in chapter 3 shows that most statistical indices are robust to measurement and digitalisation inaccuracies, but on the side of the fractal approaches this is only the case for the so-called root mean square correlation. Furthermore, important adjusting screws of the fractal approaches are dealt with and the methods are described in full. Although the above is important in itself because a sensitivity analysis has not been done before, the crucial part of the study is a cross validation with new independent data, some of which comes from chapter 2. Of course, all methods lead to very similar JRC values for the type profiles. However, this is not the case for the six tensile fractures analysed here. In particular, fractal spectral analysis is overly complex and does not lead to better roughness estimates than simple statistical means. As the goal of roughness parameterisation is to estimate the shear strength, in chapter 4, the findings of the previous chapters are applied to direct shear test data. Opposed to many prior works in which replica materials were used, real rock tensile surfaces are tested here. Additionally, as the rock materials used exhibit much larger strength the study investigates the applicability of existing empirical shear criteria established based on low strength materials to high strength rocks. The roughness is parameterised using the well-established JRC and GP. It is shown that the shear strength is overestimated in 35% of the cases using Grasselli’s roughness whereas applying the JRC leads to the underestimation of shear strength in most cases. Apparently, the two roughness parameterisations fail to account for "nonuniform roughness" elements such as singular, pronounced asperities which seemingly dominate the shearing process for high strength rocks. In summary, the shear strength estimated based on the JRC calculated from SfM/DIM data is on the safe side. Especially with high strength rock, due to the presence of "nonuniform roughness", larger than estimated shear strength capacity can be assumed. A more nuanced, at best rock type related portfolio of constitutive equations is desirable.
Die Nutzung des Untergrunds für technische Bauwerke wie Kavernen oder künstliche Hänge führt zur Störung des Spannungsgleichgewichts. In der Folge kommt es zu einer Umlagerung der Spannungen. Naturgemäß konzentrieren sich die Spannungen an bereits vorhandenen Schwächezonen, zum Beispiel Störungen und "flächige Brüche" aller Art, die gemeinhin als Trennflächen bezeichnet werden. Da diese die Gesamtfestigkeit eines Gebirges bestimmen, sind Mittel erforderlich, um ihre Festigkeit zu ermitteln. Zu diesem Zweck wurden zahlreiche empirische Scherfestigkeitskriterien vorgeschlagen. Sie beruhen alle auf Indexparametern, unter denen die Rauigkeit eine wichtige Rolle spielt. In dieser Arbeit wird die Messung und Quantifizierung der Oberflächenrauigkeit untersucht. Der Fokus richtet sich dabei auf (i) die Mängel bei der Qualität der Oberflächendarstellung in früheren Studien und (ii) dem Mangel an umfassender Dokumentation zusammen mit der unbekannten Empfindlichkeit der Berechnungsschemata. Folglich soll geklärt werden, ob eine komplexe Parametrisierung der Rauigkeit und eine detaillierte Oberflächendarstellung zu einer besseren Abschätzung der Scherfestigkeit beitragen. Zur Beantwortung dieser Fragen werden in Kapitel 2 modernste optische Messverfahren zur Erzeugung von 3D-Oberflächenmodellen evaluiert. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die Möglichkeiten der Structure-from-Motion/Dense Image Matching (SfM/DIM)-Techniken zur Erstellung von hochaufgelösten Mikroreliefkarten einiger Zugbrüche gelegt. Die messtechnischen Referenzdaten zu Oberflächenmodellen, die mit einem terrestrischen Laserscanner (TLS), SfM/DIM und einem Handscanner erstellt wurden, wurden mit einem strukturierten Weißlicht-Scanner erzeugt. Da der Vergleich von geometrischen Daten, die von verschiedenen Scannern stammen, stark unter Fehlern in der Registrierung leiden, werden die statistischen und fraktalen Rauigkeitsparameter, die aus den 3D-Modellen abgeleitet werden, direkt verglichen. Aus der Analyse der Verteilungen des Joint Roughness Coefficient (JRC) und Grassellis Rauigkeitsparameter (GP) wird geschlossen, dass SfM/DIM Daten erzeugt, die für die Bewertung der Mikrorauigkeit geeignet sind. Andererseits sollte die Ableitung der Mikrorauigkeit aus TLS-Daten verworfen werden. Darüber hinaus werden große Unterschiede in der Berechnung der JRC zwischen statistischen und fraktalen Methoden deutlich. Dieser Befund stellt die natürliche Überleitung zu der zweiten Studie dieser Arbeit in Kapitel 3 dar. Alle Korrelationen des JRC mit statistischen und fraktalen Indizes beruhen auf den bekannten und weithin akzeptierten Typ-Profilen von Barton. Für praktisch jede Korrelation wurde das Standard-Diagramm digitalisiert, wenn auch nicht immer mit der gebotenen Sorgfalt. Die erneute Auswertung von drei Datensätzen der Typ-Profile in Kapitel 3 zeigt, dass die meisten statistischen Indizes robust gegenüber Mess- und Digitalisierungsungenauigkeiten sind. Auf der Seite der fraktalen Ansätze ist dies jedoch nur für die so genannte root mean square correlation der Fall. Außerdem werden wichtige Stellschrauben der fraktalen Ansätze behandelt und die Methoden ausführlich beschrieben. Obwohl die obigen Ausführungen an sich schon bedeutsam sind, weil eine Sensitivitätsanalyse bisher noch nicht durchgeführt wurde, ist der entscheidende Teil der Studie eine Kreuzvalidierung mit neuen unabhängigen Daten, von denen einige aus Kapitel 2 stammen. Natürlicherweise führen alle Methoden zu sehr ähnlichen JRC-Werten für die Typ-Profile. Dies ist jedoch bei den sechs hier untersuchten Zugbrüchen nicht der Fall. Insbesondere die fraktale Spektralanalyse ist übermäßig komplex und führt nicht zu besseren Rauigkeitsabschätzungen als einfache statistische Mittel. Da das Ziel der Rauigkeitsparametrisierung die Abschätzung der Scherfestigkeit ist, werden die neuen Erkenntnisse in Kapitel 4 auf Ergebnisse direkter Scherversuche angewandt. Im Gegensatz zu vielen früheren Arbeiten, in denen Abgüsse von Trennflächen verwendet wurden, werden hier echte Zugrissoberflächen getestet. Da die verwendeten Gesteinsmaterialien eine wesentlich höhere Festigkeit aufweisen, wird außerdem die Anwendbarkeit bestehender empirischer Scherfestigkeitskriterien, die auf der Grundlage von Abgüssen mit geringer Festigkeit aufgestellt wurden, für hochfeste Gesteine untersucht. Die Rauigkeit wird mit Hilfe der bewährten JRC und GP parametrisiert. Es zeigt sich, dass die Scherfestigkeit in 35% der Fälle unter Verwendung der Grasselli-Rauigkeit überschätzt wird, während die Anwendung des JRC in den meisten Fällen zu einer Unterschätzung der Scherfestigkeit führt. Offensichtlich berücksichtigen die beiden Rauigkeitsparametrisierungen keine "ungleichmäßigen Rauigkeitselemente" wie z.B. einzelne, ausgeprägte Erhebungen, die den Scherprozess bei hochfestem Gestein zu dominieren scheinen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Scherfestigkeit, die auf der Grundlage der aus SfM/DIM-Daten berechneten JRC geschätzt wird, auf der sicheren Seite liegt. Insbesondere bei hochfestem Gestein kann aufgrund des Vorhandenseins von "ungleichmäßiger Rauigkeit" von einer größeren Scherfestigkeit als der geschätzten ausgegangen werden. Ein nuancierteres, bestenfalls felsartbezogenes Portfolio von konstitutiven Gleichungen ist wünschenswert.
Subject(s): JRC
roughness
structure-from-motion
fractal
tensile fracture
Rauigkeit
Photogrammetrie
Fraktal
Zugriss
Issue Date: 2022
Date Available: 18-Jan-2022
Exam Date: 16-Dec-2021
Has Part: 10.14279/depositonce-11962
Is Supplemented By: 10.14279/depositonce-9592.3
10.14279/depositonce-12280
Language Code: en
DDC Class: 624 Ingenieurbau
550 Geowissenschaften
TU Affiliation(s): Fak. 6 Planen Bauen Umwelt » Inst. Angewandte Geowissenschaften » FG Ingenieurgeologie
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Publications

Files in This Item:
marsch_kristofer.pdf
Format: Adobe PDF | Size: 42.56 MB
DownloadShow Preview
Thumbnail

Item Export Bar

Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.