Numerical methodology to characterise heterogeneous rock masses

Abstract

The uncertainties related with spatial variability and heterogeneities, naturally present in rock masses, play an important role in geotechnical engineering practice. A more accurate assessment and characterisation is increasingly in need due to their impact on the mechanical behaviour of heterogeneous rock masses. The aim of this work was to contribute with innovative methodologies to be used in the geomechanical characterisation of this type of rocks, as well as to reduce the uncertainty associated with the definition of prospection plans. The main methodology hereby proposed combines geostatistical techniques, which have proved to be efficient in identifying rock mass heterogeneities and in considering the spatial variability, with clustering techniques, so that a more realistic geomechanical model of the rock mass is obtained. Since the geotechnical information used to perform the numerical analysis of underground works has different stages, the proposed methodology was developed to take that feature into account. As a first step, the geotechnical parameters are simulated using geostatistical techniques, followed by their conversion into geomechanical parameters in a second step. A third step concerns the selection of representative realisations, with a minimum of three, to be used in the numerical analysis. Finally, the rock mass characterisation models are imported to a finite differences software to perform a mechanical behaviour analysis of the geotechnical structure. The numerical results are compared with the ones obtained from a deterministic approach that assumes the rock mass as a homogeneous medium. For the methodology validation, real data from two case studies were used: a Chilean gold deposit and the Salamonde II hydroelectric complex recently built in the North of Portugal. Concerning the methodology for optimizing prospection plans, the same geostatistical techniques were used to simulate the rock mass and to define the uncertainty metrics to use in the optimisation process, which relied on the Simulated Annealing algorithm. The randomness that exists in the definition of boreholes location was the stepping stone of this innovative methodology that intends to be a helping tool for professionals. As an output, one obtains the optimal spatial location for new boreholes, as well as their lengths, in order to decrease the uncertainty of the numerical model and to increase the geomechanical detail. It is worthy of notice that the two above mentioned case studies were also used in this methodology validation.

A incerteza associada à variabilidade espacial e às heterogeneidades, naturalmente presentes aquando a caracterização geomecânica dos maciços rochosos, assumem um papel cada vez mais relevante na prática da engenharia geotécnica. Como tal, existe uma necessidade cada vez maior em obter caracterizações deste tipo de rochas heterogéneas de forma mais precisa e real. Assim, o principal objetivo deste trabalho foi contribuir com o desenvolvimento de metodologias inovadoras para serem usadas, tanto na caracterização geomecânica deste tipo de rochas, como na redução da incerteza associada à elaboração dos planos de prospeção geotécnica. Assumindo que as técnicas geoestatísticas são eficientes na identificação das heterogeneidades e na consideração da variabilidade espacial dos maciços rochosos, a principal metodologia deste trabalho combina estas técnicas com técnicas de clustering, utilizadas para a seleção de modelos geomecânicos mais realistas. Assim, numa primeira fase, é simulada a informação geotécnica utilizando ferramenta geoestatísticas que, numa segunda fase, é convertida em informação relativa aos parâmetros geomecânicos do maciço rochoso. Uma terceira fase da metodologia considera a seleção das realizações representativas para utilizar na análise numérica. Por fim, os modelos numéricos do maciço rochoso são importados para o software de diferenças finitas onde é efetuada uma análise do comportamento mecânico da estrutura geotécnica. Estes resultados são comparados com os obtidos quando considerada uma abordagem determinística que assume o maciço rochoso como um meio homogéneo. Na validação da metodologia foram utilizados dois casos de estudo, um depósito de outro chileno e o complexo hidroelétrico de Salamonde II, contruído recentemente no norte de Portugal. No que concerne à metodologia para otimizar os planos de prospeção, foram utilizadas a mesmas técnicas geoestatísticas para a simulação do maciço rochoso e assim definir métricas de avaliação da incerteza a utilizar no processo de otimização que utiliza o algoritmo Simulated Annealing. A aleatoriedade inerente à definição dos locais de sondagens foi o ponto de partida para o desenvolvimento de uma segunda metodologia que pretende ser uma ferramenta de apoio aos profissionais da área. Como output são obtidos os locais ótimos para a execução de novas sondagens, assim como os seus comprimentos com o objetivo de reduzir a incerteza associada ao modelo numérico do maciço rochosos e aumentar o detalhe geotécnico. É importante referir que os casos de estudo já mencionados também são utilizados na validação desta metodologia.