Characterization of rock slopes through slope mass rating using 3D point clouds

Rock mass classification systems are widely used tools for assessing the stability of rock slopes. Their calculation requires the prior quantification of several parameters during conventional fieldwork campaigns, such as the orientation of the discontinuity sets, the main properties of the existing discontinuities and the geo-mechanical characterization of the intact rock mass, which can be time-consuming and an often risky task. Conversely, the use of relatively new remote sensing data for modelling the rock mass surface by means of 3D point clouds is changing the current investigation strategies in different rock slope engineering applications. In this paper, the main practical issues affecting the application of Slope Mass Rating (SMR) for the characterization of rock slopes from 3D point clouds are reviewed, using three case studies from an end-user point of view. To this end, the SMR adjustment factors, which were calculated from different sources of information and processes, using the different softwares, are compared with those calculated using conventional fieldwork data. In the presented analysis, special attention is paid to the differences between the SMR indexes derived from the 3D point cloud and conventional field work approaches, the main factors that determine the quality of the data and some recognized practical issues. Finally, the reliability of Slope Mass Rating for the characterization of rocky slopes is highlighted.

Updating of the hierarchical rock mass rating (HRMR) system and a new subsystem developed for weathered granite formations

The RMR system is still very much applied in rock mechanics engineering context. It is based on the evaluation of six weights to obtain a final rating. To obtain the final rating a considerable amount of information is needed concerning the rock mass which can be difficult to obtain in some projects or project stages at least with accuracy. In 2007 an alternative classification scheme based on the RMR, the Hierarchical Rock Mass Rating (HRMR) was presented. The main feature of this system was the adaptation to the level of knowledge existent about the rock mass to obtain the classification of the rock mass since it followed a decision tree approach. However, the HRMR was only valid for hard rock granites with low fracturing degrees. In this work, the database was enlarged with approximately 40% more cases considering other types of granite rock masses including weathered granites and based on this increased database the system was updated. Granite formations existent in the north of Portugal including Porto city are predominantly granites. Some years ago a light rail infrastructure was built in the city of Porto and surrounding municipalities whi h involved considerable challenges due to the high heterogeneity levels of the granite formations and the difficulties involved in their geomechanical characterization. In this work it is intended to provide also a contribution to improve the characterization of these formations with special emphasis to the weathered horizons. A specific subsystem applicable to the weathered formations was developed. The results of the validation of these systems are presented and show acceptable performances in identifying the correct class using less information than with the RMR system.

Preliminary slope mass movement susceptibility mapping using DEM and LiDAR DEM

Hazard mapping in mountainous areas at the regional scale has greatly changed since the 1990s thanks to improved digital elevation models (DEM). It is now possible to model slope mass movement and floods with a high level of detail in order to improve geomorphologic mapping. We present examples of regional multi-hazard susceptibility mapping through two Swiss case studies, including landslides, rockfall, debris flows, snow avalanches and floods, in addition to several original methods and software tools. The aim of these recent developments is to take advantage of the availability of high resolution DEM (HRDEM) for better mass movement modeling. Our results indicate a good correspondence between inventories of hazardous zones based on historical events and model predictions. This paper demonstrates that by adapting tools and methods issued from modern technologies, it is possible to obtain reliable documents for land planning purposes over large areas.

Estudo geológico e geotécnico de taludes rochosos em S. Pedro da Afurada (Vila Nova de Gaia): contributos para a avaliação da estabilidade estrutural

Mestrado em Engenharia Geotécnica e Geoambiente

Aplicação do SMR na avaliação da estabilidade de taludes de escavação em grauvaques da Formação de Mértola

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Geológica - Geotecnia

Caracterização geomecânica e classificações RMR (Bieniawsky) e SMR (Romana) de maciços rochosos em taludes do Funchal

Conhecer a natureza e as características geomorfológicas e geológicas, que potenciam situações de instabilidade, é um passo importante a fim de determinar as medidas de prevenção e de estabilização, que se podem adaptar a um determinado local. Várias situações de instabilidade, que não se compreendem numa observação expedita e que ocorrem nos taludes do Funchal, despertaram o interesse de realizar um trabalho profundo, centrado na avaliação dos processos de instabilidade do talude. Na caracterização dos maciços rochosos para obtenção do índice RMR (Bieniawsky), fez-se um levantamento das descontinuidades com caracterização espacial do preenchimento e rugosidade. A resistência dos maciços rochosos e avaliação da resistência à compressão uniaxial dos taludes foi conseguido através de vários ensaios in situ, utilizando o martelo de Schmidt. Identificaram-se os possíveis factores que podem estar na base da instabilidade do talude. Dos resultados que se obtiveram, destacam-se a geometria do talude, as propriedades geomecânicas, a distribuição das descontinuidades, a influência da vegetação e da água. Os resultados permitiram propor medidas de prevenção e estabilização do talude, conforme os resultados da classificação geomecânica SMR (Slope Mass Rating) de Romana. Por fim, estabeleceu-se a comparação dos diferentes resultados obtidos com resultados publicados, sobre o mesmo tipo de material para a Ilha da Madeira.

Procedimiento gráfico para la obtención de los parámetros de corrección del SMR a través de la proyección estereográfica

El Slope Mass Rating (SMR, Romana, 1985) constituye una clasificación geomecánica de uso muy extendido para la caracterización de taludes en roca. Se obtiene por adición al índice RMR básico, calculado a partir de valores característicos del macizo rocoso, de una serie de factores de corrección dependientes del paralelismo discontinuidad-talud, del buzamiento de las discontinuidades, del buzamiento relativo entre las discontinuidades y el talud, así como del método de excavación empleado. En este trabajo se propone un método gráfico que permite obtener los parámetros de corrección del SMR (F1, F2 y F3) representando en proyección estereográfica los planos de discontinuidad y del talud a estudiar.

Desarrollo de aplicaciones informáticas con fines docentes en el campo de la Ingeniería del Terreno

La Mecánica de Rocas forma parte del currículo de las titulaciones impartidas por el área de conocimiento de Ingeniería del Terreno de la UA. Sin embargo, a diferencia de otras disciplinas, su aplicación práctica precisa de un desarrollo metodológico in situ, con el fin de evaluar, por ejemplo, la calidad del macizo rocoso mediante las denominadas clasificaciones geomecánicas, y específicamente el Slope Mass Rating. Nuestra experiencia docente ha demostrado que su estudio requiere que el alumnado adquiera un nivel adecuado de habilidades en visión espacial y de comprensión de las estructuras geológicas. No obstante, los alumnos, en las edades tempranas de su formación, todavía no han alcanzado la madurez suficiente. Ello ha motivado el desarrollo de una herramienta que permita introducir de manera clara e inequívoca los inputs de ésta clasificación geomecánica y que muestre todos los cálculos intermedios gráficamente y analíticamente, así como los resultados finales. Su uso permite a los docentes exponer fácilmente casos de estudio en aula y a los alumnos reproducir, de forma objetiva, los cálculos durante su estudio, además de permitir visualizar la influencia de cada uno de los parámetros en el resultado final. Esta herramienta está disponible online para toda la comunidad educativa.

Uso de nubes de puntos 3D para identificación y caracterización de familias de discontinuidades planas en afloramientos rocosos y evaluación de la calidad geomecánica

En este trabajo se estudia el uso de las nubes de puntos en 3D, es decir, un conjunto de puntos en un sistema de referencia cartesiano en R3, para la identificación y caracterización de las discontinuidades que afloran en un macizo rocoso y su aplicación al campo de la Mecánica de Rocas. Las nubes de puntos utilizadas se han adquirido mediante tres técnicas: sintéticas, 3D laser scanner y la técnica de fotogrametría digital Structure From Motion (SfM). El enfoque está orientado a la extracción y caracterización de familias de discontinuidades y su aplicación a la evaluación de la calidad de un talud rocoso mediante la clasificación geomecánica Slope Mass Rating (SMR). El contenido de la misma está dividido en tres bloques, como son: (1) metodología de extracción de discontinuidades y clasificación de la nube de puntos 3D; (2) análisis de espaciados normales en nubes de puntos 3D; y (3) análisis de la evaluación de la calidad geomecánica de taludes rocoso mediante la clasificación geomecánica SMR a partir de nubes de puntos 3D. La primera línea de investigación consiste en el estudio de las nubes de puntos 3D con la finalidad de extraer y caracterizar las discontinuidades planas presentes en la superficie de un macizo rocoso. En primer lugar, se ha recopilado información de las metodologías existentes y la disponibilidad de programas para su estudio. Esto motivó la decisión de investigar y diseñar un proceso de clasificación novedoso, que muestre todos los pasos para su programación e incluso ofreciendo el código programado a la comunidad científica bajo licencia GNU GPL. De esta forma, se ha diseñado una novedosa metodología y se ha programado un software que analiza nubes de puntos 3D de forma semi-automática, permitiendo al usuario interactuar con el proceso de clasificación. Dicho software se llama Discontinuity Set Extractor (DSE). El método se ha validado empleando nubes de puntos sintéticas y adquiridas con 3D laser scanner. En primer lugar, este código analiza la nube de puntos efectuando un test de coplanaridad para cada punto y sus vecinos próximos para, a continuación, calcular el vector normal de la superficie en el punto estudiado. En segundo lugar, se representan los polos de los vectores normales calculados en el paso previo en una falsilla estereográfica. A continuación se calcula la densidad de los polos y los polos con mayor densidad o polos principales. Estos indican las orientaciones de la superficie más representadas, y por tanto las familias de discontinuidades. En tercer lugar, se asigna a cada punto una familia en dependencia del ángulo formado por el vector normal del punto y el de la familia. En este punto el usuario puede visualizar la nube de puntos clasificada con las familias de discontinuidades que ha determinado para validar el resultado intermedio. En cuarto lugar, se realiza un análisis cluster en el que se determina la agrupación de puntos según planos para cada familia (clusters). A continuación, se filtran aquellos que no tengan un número de puntos suficiente y se determina la ecuación de cada plano. Finalmente, se exportan los resultados de la clasificación a un archivo de texto para su análisis y representación en otros programas. La segunda línea de investigación consiste en el estudio del espaciado entre discontinuidades planas que afloran en macizos rocosos a partir de nubes de puntos 3D. Se desarrolló una metodología de cálculo de espaciados a partir de nubes de puntos 3D previamente clasificadas con el fin de determinar las relaciones espaciales entre planos de cada familia y calcular el espaciado normal. El fundamento novedoso del método propuesto es determinar el espaciado normal de familia basándonos en los mismos principios que en campo, pero sin la restricción de las limitaciones espaciales, condiciones de inseguridad y dificultades inherentes al proceso. Se consideraron dos aspectos de las discontinuidades: su persistencia finita o infinita, siendo la primera el aspecto más novedoso de esta publicación. El desarrollo y aplicación del método a varios casos de estudio permitió determinar su ámbito de aplicación. La validación se llevó a cabo con nubes de puntos sintéticas y adquiridas con 3D laser scanner. La tercera línea de investigación consiste en el análisis de la aplicación de la información obtenida con nubes de puntos 3D a la evaluación de la calidad de un talud rocoso mediante la clasificación geomecánica SMR. El análisis se centró en la influencia del uso de orientaciones determinadas con distintas fuentes de información (datos de campo y técnicas de adquisición remota) en la determinación de los factores de ajuste y al valor del índice SMR. Los resultados de este análisis muestran que el uso de fuentes de información y técnicas ampliamente aceptadas pueden ocasionar cambios en la evaluación de la calidad del talud rocoso de hasta una clase geomecánica (es decir, 20 unidades). Asimismo, los análisis realizados han permitido constatar la validez del índice SMR para cartografiar zonas inestables de un talud. Los métodos y programas informáticos desarrollados suponen un importante avance científico para el uso de nubes de puntos 3D para: (1) el estudio y caracterización de las discontinuidades de los macizos rocosos y (2) su aplicación a la evaluación de la calidad de taludes en roca mediante las clasificaciones geomecánicas. Asimismo, las conclusiones obtenidas y los medios y métodos empleados en esta tesis doctoral podrán ser contrastadas y utilizados por otros investigadores, al estar disponibles en la web del autor bajo licencia GNU GPL.

SMRTool

Este programa se encuentra disponible en Excel y en código MATLAB.

SMRTool (MATLAB)

Versión MATLAB.

SMR analysis using 3DPC datasets

Datasets and results of the paper: Characterization of rock slopes through slope mass rating using 3D point clouds, Riquelme et al 2016, IJRMMS.

Strain-dependent fluid flow defined through rock mass classification schemes

Strain-dependent hydraulic conductivities are uniquely defined by an environmental factor, representing applied normal and shear strains, combined with intrinsic material parameters representing mass and component deformation moduli, initial conductivities, and mass structure. The components representing mass moduli and structure are defined in terms of RQD (rock quality designation) and RMR (rock mass rating) to represent the response of a whole spectrum of rock masses, varying from highly fractured (crushed) rock to intact rock. These two empirical parameters determine the hydraulic response of a fractured medium to the induced-deformations The constitutive relations are verified against available published data and applied to study one-dimensional, strain-dependent fluid flow. Analytical results indicate that both normal and shear strains exert a significant influence on the processes of fluid flow and that the magnitude of this influence is regulated by the values of RQD and RMR.