Quantifying loss of geometrical features in downscaling of rock joint surfaces using shear box replica series
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2016-05-16
Department
Major/Subject
European Mining Course
Mcode
R3008
Degree programme
Master’s Degree Programme in Structural Engineering and Building Technology
Language
en
Pages
90 + 15
Series
Abstract
This study developed a method to 3D model rough rock joint surfaces using photogram-metry. In the modelling process, the photos were first converted into point cloud which was then meshed with 2D-Delaunay triangulation. This mesh was used to form 3D model of a mold including the 3D topography of the rock surface. These 3D printed molds were used to cast replica samples of the original surface in concrete. Each replica sample had two sides modelling the two surfaces of the real rock joint. Another one was formed using original 3D model of the surface and another with negative of the original model. The areas in 5 different sizes were selected from the original 3D model and they were then downscaled to the same 170 mm x 60 mm size before replicating. The whole rock surface area with the size of 1.7 m x 0.6 m formed one sample when the area was downscaled to the 1:10 size. Another used areas were downscaled with the downscaling factors 1:7.5, 1:5, 1:2.5 when one class of samples being in 1:1 scale with the original surface. Each of these four other downscaling classes contained four samples with areas cropped from different parts of the total 3D rock surface model. After replicating all concrete replica joints were shear tested. The aim was to determine how much shear strength decreases from 1:1 scale to most downscaled 1:10 samples due the loss of geometrical surface features during the replicating process. The shear tests were performed also for two smooth concrete surfaces to determine the value of shear strength friction component. The evaluation of the results is based on the assumption that any scale effect of the shear strength shouldn’t exist for the natural rock joints when the joint surfaces are perfectly matched against each other. Therefore, all loss of shear strength should be induced by the loss of geometrical features during replicating. The results showed expected behavior when the average values of the both peak and residual shear strength decreased as a function of downscaling factor. When the friction component has been reduced from the shear strength value, the remaining roughness component of the surface decreases to be in 1:10 scale 59 % of the 1:1 value for peak shear strength and 56 % for residual shear strength. However, due to large scatter of the results and low number of the tested samples further studies are required in the future to deter-mine the behavior of the shear strength loss with sufficient accuracy. The developed method can be later exploited when the scale effect of the possible shear strength is studied in the cases where surfaces aren’t perfectly matched.Työssä kehitettiin menetelmä karkeiden kivipintojen 3D-mallintamiseen fotogrammetri-sesti. Valokuvista muodostettiin ensin pistepilvi, joka tämän jälkeen kolmioitiin käyttäen 2D-Delaunay menetelmää. Saatua kolmioverkkoa hyödynnettiin 3D tulostettavien muottien mallinnuksessa siten, että muotti sisältää jäljennöksen mallinnetusta kivipinnasta. Näitä muotteja käyttäen valettiin kivipinnasta betonisia jäljennöksiä. Jäljennetyt näytteet olivat kaksiosaisia, toinen osa valettu käyttäen osaa alkuperäisestä 3D mallista ja toinen peilikuvaa tästä alueesta. Näin näytteitä voitiin käyttää mallintamaan oikeaa kalliorakoa, jolla on kaksi toisiaan vastaavaa rakopintaa. 3D-mallista valittiin alueita viidessä eri koossa, jotka skaalattiin ennen jäljentämistä kokoon 170 mm x 60 mm. Alkuperäinen 1,7 m x 0,6 m kivipinta muodosti yhden näytteen skaalattaessa se 1:10 kertaiseksi. Kolme seuraavaa pienempää kokoluokkaa edustavat alueet skaalattiin joko 1:7,5, 1:5 tai 1:2,5 kertaisiksi. Pienimmät käytetyt alueet olivat 1:1-mittakaavassa jäljennösten kanssa. Jokaisesta näistä kokoluokista muodostettiin neljä eri jäljennöstä käyttäen rajattuja alueita eri puolilta koko kivipinnan 3D-mallia. Jäljentämisen jälkeen näytteille suoritettiin rasialeikkauskokeet. Kokeiden tarkoituksena oli selvittää, paljonko leikkauslujuus laskee 1:1-mittakaavaisista näytteistä 1:10-mittakaavaiseen näytteeseen, kun skaalauksen ja jäljentämisen yhteydessä alkuperäisen pinnan pinnanmuotoja katoaa sitä enemmän, mitä enemmän aluetta pienennetään skaalauksessa. Leikkauskokeet suoritettiin myös kahdelle sileäpintaiselle raolle betonin leikkauslujuuden kitkakomponentin määrittämiseksi. Tulosanalyysi perustuu olettamukseen, että kallioraon rakopintojen ollessa asettuneena täydellisesti vastaamaan toisiaan, ei raon leikkauslujuudessa pitäisi tällöin esiintyä muutosta eri näytekokojen välillä. Koko leikkauslujuuden alennus olisi tällöin seurausta skaalaus- ja jäljennösprosessista. Tulokset olivat odotetun kaltaisia, kun sekä huippu- että jäännösleikkauslujuudet laskivat skaalauskertoimen funktiona. Kun kitkakomponentin arvo on vähennetty leikkauslujuudesta, jäljelle jääneen karkeuskomponentin keskimääräinen arvo 1:10-mittakaavassa oli huippuleikkauslujuudella 59 % ja jäännösleikkauslujuudella 56 % 1:1-mittakaavan arvoista. Suoritettujen testien pienen määrän ja tulosten suuren hajonnan vuoksi vaaditaan kuitenkin jatkotutkimusta leikkauslujuuden muutoksen tarkkaan määrittämiseen. Tuloksia voidaan myöhemmin hyödyntää tutkittaessa kalliorakojen mittakaavaefektiä tilanteissa, joissa rakopinnat eivät ole täydellisesti vastakkain.Description
Supervisor
Rinne, MikaelThesis advisor
Antikainen, JuhaUotinen, Lauri
Keywords
rock joint, shear strength, shear box, scale effect, photogrammetry, 3D printing
