Visualization and modelling of rock fractures and rock quality parameters in 1-3 dimensions in crystalline bedrock

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2017-12-14
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
71 + app. 37
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 240/2017
Abstract
Building underground facilities in bedrock is increasing in the modern world. The brokenness and quality of bedrock can have a negative effect on underground construction and effect the costs. One has to be able to describe and measure the brokenness and quality to be able to take it into account in construction and excavation planning. Different mapping methods give direct information and geophysical methods indirect information about the brokenness and quality to support its modeling task. This thesis describes new methods developed to study, visualize and analyze brokenness and quality of the bedrock. The results of the development work were tested on mapping and measurement data gathered from a Palin Granit Oy owned dimension stone quarry situated in Mäntsälä, southern Finland. Observations of the rock discontinuities were gathered by several methods: by mapping and scanline measurements; by ground penetrating radar; and by stereophotogrammetry. The discontinuity data was utilized in developing methods: 1) to calculate fracture density in a rock volume; 2) to write computer scripts, which clusters fracture sets semi-automatically, calculates mean orientation and density of the fracture sets; 3) presents the connection between fracture properties and dip direction; 4) visualizes fractures and their properties in 3D and makes a stereographic projection of the fracture density and rock quality designation revealing their orientation dependency. In addition, development work in the branch of determining fracture filling material based on the polarity change of ground penetrating radar signal was made. The results indicated confidence in determining and modeling the brokenness of the bedrock increases by exploiting several study methods. Gathering abundant observation data enabled statistical analysis of the data and allowed realistic discrete fracture network models to be generated.

Kalliotilojen käyttö on yleistynyt modernissa yhdyskuntarakentamisessa. Kallioperän rikkonaisuus ja laatutekijät vaikuttavat omalta osaltaan maanalaiseen rakentamiseen rakennuskivituotantoon ja voivat aiheuttaa lisäkustannuksia. Jotta kallioperän rikkonaisuus ja laatu voidaan huomioida jo maanalaisen tilan suunnitteluvaiheessa, se on pystyttävä kuvailemaan ja mittaamaan. Erilaiset kartoitusmenetelmät antavat suoraa ja geofysikaaliset menetelmät välillistä tietoa rikkonaisuudesta sen mallinnuksen tueksi. Väitöskirjatutkimuksessa kehitettiin uusia menetelmiä kallioperän rikkonaisuuden ja laadun tutkimiseen, esittämiseen ja analysointiin. Kehitystyön tuloksia testattiin kartoitus- ja mittausaineistolla, joka kerättiin Palin Granit Oy:n omistamalta rakennuskivilouhokselta, joka sijaitsee Mäntsälässä, Etelä-Suomessa. Rakohavaintoja kerättiin usealla eri menetelmällä: kartoittamalla, linjamittauksin, maatutkalla sekä stereovalokuvaamalla. Rakoaineistoa käyttäen kehitettiin menetelmiä: 1) laskea rakotiheys tutkitun kiven tilavuudessa; 2) tietokoneohjelma rakosuuntien puoliautomaattiseen ryhmittelyyn, ryhmien keskisuunnan ja rakotiheyden laskemiseen; 3) rakojen ominaisuuksien ja kaateen suuntien välisen yhteyden esittämiseen; 4) rakojen ja niiden ominaisuuksien esittämiseen avaruudessa ja rakotiheyden sekä kallion eheyden suuntariippuvuuden esittämiseen stereograafisella projektiolla. Lisäksi kehitettiin rakotäytteen määrittämistä maatutkaheijasteen perusteella perustuen heijastuvan maatutkasignaalin polariteetin muuttumiseen rakopinnoilla. Tulokset osoittivat, että kallion rikkonaisuuden tutkiminen monipuolisin menetelmin lisää rikkonaisuuden määrittelyn ja mallintamisen varmuutta. Laajan havaintoaineiston kerääminen mahdollistaa myös aineiston tilastollisen analyysin ja käyttämisen realistisessa rakoverkkomallinnuksessa.
Description
Supervising professor
Leveinen, Jussi, Prof., Aalto University, Department of Civil Engineering, Finland
Thesis advisor
Laine, Eevaliisa, Dr., Geological Survey of Finland, Finland
Keywords
rock fracture, rock quality, fracture density, rock quality designation, scanline survey, oriented data, ground penetrating radar, stereophotogrammetry, MATLAB, Mäntsälä, kalliorako, kalliolaatu, rakotiheys, RQD-luku, linjamittaus, suuntadata, maatutka, stereofotogrammetria
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Markovaara-Koivisto, Mira; Laine, Eevaliisa. MATLAB script for analyzing and visualizing scanline data Computers and Geosciences. Volume 40, Pages 185-193. 2012.
    DOI: 10.1016/j.cageo.2011.07.010 View at publisher
  • [Publication 2]: Markovaara-Koivisto, Mira; Hokkanen, Tero; Huuskonen-Snicker, Eeva. The effect of fracture aperture and filling material on GPR signal. Bulletin of Engineering Geology and the Environment. Volume 73, Issue 3, pp 815–823. 2014.
    DOI: 10.1007/s10064-013-0566-4 View at publisher
  • [Publication 3]: Markovaara-Koivisto, Mira; Laine, Eevaliisa. MATLAB script for stereographic projection of fracture density and RQD. Submitted to International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences.
Citation