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Title in Portuguese: Empirical methods to estimate mechanical properties of jointed rock masses and a proposal for a geophysical method to assist geological discontinuity characterization
Author: Polemis Júnior, Konstantinos
Advisor(s): Silva Filho, Francisco Chagas da
Co-advisor(s): Lima Filho, Francisco Pinheiro
Keywords: Geotecnia
Rochas - Classificação
Mecânica de rochas
Rock mass classification systems
Rock mass strength
Issue Date: 29-Nov-2019
Citation: POLEMIS JÚNIOR, K. Empirical methods to estimate mechanical properties of jointed rock masses and a proposal for a geophysical method to assist geological discontinuity characterization. 2019. 202 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Civil) - Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil: Geotecnia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2019.
Abstract in Portuguese: A engenhariadas rochas é aciênciaaplicadaas atividadeshumanasutilizando as rochas como material de engenharia para diversos fins, tais como o suporte para túneis, mineração a céu aberto, escavações subterrâneas, poços de mineração, entre outras.Tem como base a mecânica das rochas, que estuda o comportamento mecânico das rochas em respostas amudanças em seu campo de tensões causados por forças sobre elas, onde leva-se em consideração as características da parte intacta das rochas e as descontinuidades geológicas que possam ocorrer em seu meio. Por conta de suas características anisotrópicas e heterogêneas, que se manifestamprincipalmente por conta do efeito escala existente em maciços fraturados, estimar as propriedades mecânicas desse geomaterial pode ser visto com uma tarefa complexa e onerosaem comparação a outros materiais utilizados pela engenharia. Como alternativa, métodos empíricos baseados em sistemas de classificações de maciços rochosos (RMCS), como por exemplo o RMR, Q e o GSI, vem sendoamplamenteutilizados pela engenharia das rochas na prática para estimar esses parâmetros, mais especificamente a compressão uniaxial e o módulo de deformação de maciços fraturados, para fins de modelagens numéricas. Tendo em vista a quantidade numerosa de modelos propostos, esse trabalhoavaliou-se os métodos mais recorrentes na literaturabaseados nos índices deRQD, RMR, Q e GSI, avaliadoseus comportamentospara 46 cenários de maciços rochosos diferentes, previamente caracterizados e classificados. Como parte dos resultados obtidosdurante as análises comparativas, pode-se perceber que as correlações não normalizadas superestimaram os valoresdosmódulos de deformaçãoem comparação ao correlações normalizadas, principalmente para maciços rochosos com certa qualidade, onde a diferença foi mais acentuada. Ao final desse trabalho foi proposto também uma metodologia para auxiliar nacaracterização de maciços rochososem campo, através do uso doradar de penetração no solo (GPR), para fins de classificações.Como estudo de caso, realizou-se uma análise comparativa entre as respostasobtidas através de um mapeamento geológico das fraturas de um afloramento rochoso na região da barragem do Castanhão, auxiliado porum veículo aéreo não tripulado (VANT), com asinformações das descontinuidades subterrâneas do maciçoimageadas pelo GPR. Com base nos resultados, pode-se verificar que após os processamentos básicos e avançadosdos dados coletados em campo pelo GPR, o método geofísico apresenta-secomo uma potencial ferramenta paravisualização de fraturassubterrâneaspara fins de caracterização.
Abstract: Rock engineering is the applied science related to human activities using the rock as an engineering material for different purposes, such as tunnels support, open-pit mine, underground excavation, mining shafts, among others. Its foundation lies in rock mechanics, which studies the mechanical behavior of this geomaterial in response to any change in the stress field of the rocks caused by the forces acting on them, taking into account the individual characteristics of the intact rock and the geological discontinuities within its medium. Because of the anisotropic and heterogeneous characteristics of the material, arising especially from the scale effect existing in jointed rock masses, estimating their mechanical properties can be seen as a complex and expensive task. As an alternative, empirical methods based on rock mass classification systems (RMCS), e.g., RMR, Q and GSI systems, have been widely used for rock engineering practice purposes, including for deriving the compressive strength, σcm, and deformation modulus of the material, Erm, especially for numerical modeling. Once there are a significant number of empirical methods suggested for this purpose, this study evaluated the most known correlations based on the RQD index, RMR number, Q-value, and GSI number, using 46 scenarios of different rock mass quality previously characterized and classified. As part of the results found, it was noticed that non-normalized correlations yielded overestimated values of deformation modulus in direct comparison to the normalized one, especially for better rock mass quality scenarios, where the difference was way more significative. This study also proposed the usage of a geophysical technique, the ground-penetrating radar (GPR), as an auxiliary survey tool for in situ rock mass characterization, for rock mass classification purposes. As a case of study, a comparative analysis between a geological mapping of discontinuities identified using an unmanned aerial vehicle (UAV) from an outcrop and the underground discontinuity imaging using the GPR was conducted in the Castanhão dam region. Based on the results derived after basic and advanced processing of the raw data collected in loco, it was confirmed the capacity of the geophysical method for mapping discontinuities with high resolution for rock mass characterization purposes.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/49468
metadata.dc.type: Dissertação
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