Numerical methodology to model heterogeneous rock masses

Abstract

This paper presents a methodology to model the geomechanical parameters of heterogeneous rock masses based on geostatistical simulation. The methodology is then applied to the numerical analysis of a rock mass mechanical behaviour due to the excavation of a tunnel with the explicit representation of geomechanical heterogeneities. Geostatistics is a probabilistic method that allows the simulation of one, or more, regionalised variables, taking into account their spatial correlation. Hence, the proposed methodology intends to map, simultaneously, the uncertainty associated with the geomechanical parameters quantification, their spatial variability and the heterogeneities existing in the rock masses at different spatial scales. The methodology uses the Turning Bands algorithm (TBM) to perform the conditional simulation of the empirical geomechanical classification system Rock Mass Rating (RMR) and, subsequently, obtaining the deformation modulus (Em) values using empirical formulas. These Em values are then exported to the finite differences software Flac3D, to analyse the mechanical behaviour of the rock mass when a tunnel is excavated. The developed methodology was applied to real data obtained from boreholes of a Chilean mine. After the geostatistical simulation of these data, the theoretical tunnel excavation was modelled and the results were then compared with those obtained using a more traditional approach. The results confirm the potential of this innovative characterisation methodology of heterogeneous rock masses to decrease the uncertainty linked to the characterization and analysis of underground works.

Este artigo tem como objetivo apresentar um metodologia para modelação dos parâmetros geomecânicos de maciços rochosos heterogéneos com base na simulação geoestatística. Esta análise é aplicada à modelação numérica do comportamento de um maciço rochoso, aquando da escavação de um túnel, com a representação explícita das heterogeneidades geomecânicas. A geoestatística é uma técnica probabilística que possibilita a simulação de uma, ou mais, variáveis regionalizadas tendo em consideração a sua correlação espacial. Assim, a metodologia proposta pretende mapear simultaneamente a incerteza associada à quantificação dos parâmetros geomecânicos, a variabilidade espacial e as heterogeneidades existentes nos maciços rochosos em diferentes escalas espaciais. A metodologia proposta recorre ao algoritmo Turning Bands (TBM) para a simulação do sistema empírico de classificação geomecânicas Rock Mass Rating (RMR), e, posteriormente, recorrendo a fórmulas empíricas, são obtidos os valores do módulo de deformabilidade (Em). Estes valores de Em são então exportados para o software de diferenças finitas Flac3D, para análise do comportamento mecânico do maciço durante à escavação de um túnel teórico. A metodologia desenvolvida foi aplicada a dados geotécnicos reais obtidos de sondagens mecânicas realizadas numa mina localizada no Chile. Após a simulação geoespacial dos parâmetros, foi modelada a escavação de um túnel teórico para análise do comportamento mecânico do maciço, e foi efetuada a comparação entre uma abordagem tradicional e uma abordagem baseada na presente metodologia. Os resultados obtidos permitem concluir que a metodologia desenvolvida apresenta potencial para a diminuição da incerteza associada à análise de obras subterrâneas.