محاسبة توزیع حجم بلوک های برجای توده سنگ دارای درزه های پایا با استفاده از ابر نقاط سه بعدی به دست آمده از روش های درزه نگاری دیجیتال

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

دانشگاه محقق اردبیلی، دانشکدة فنی و مهندسی

چکیده

در پروژه‌های مهندسی سنگ، با اطلاع از وضعیت ساختاری و ابعاد بلوک‌های توده‌سنگ، به میزان زیادی در هزینه‌ها صرفه‌جویی خواهد شد. ظهور فناوری‌های جدید نقشه‌برداری این امکان را فراهم کرده است تا به کمک مدل‌های سه‌بعدی رخنمون دیجیتال توده‌سنگ، عوارض ساختاری به آسانی شناسایی و برداشت شوند. این تحقیق، فرآیندی را ارائه می‌دهد که در آن با استفاده از داده‌های ابر نقاط متراکم و با تلفیق قابلیت‌های چند برنامة کامپیوتری، مقادیر جهت‌داری و فاصله‌داری دسته‌درزه‌های پایای موجود در توده‌سنگ و همچنین نمودار توزیع حجم بلوک‌های توده‌سنگ برآورد می‌شود. تعلق نقاط مختصاتی به صفحات ناپیوستگی‌ها با اجرای آزمون کوپلناریتی محاسبه شده و به کمک روش‌های آماری دسته‌بندی می‌شوند. به دلیل پراکندگی فضایی نقاط متعلق به دسته‌ناپیوستگی‌ها، نقاط خوشه‌بندی شده و بر هر خوشه، صفحة واحدی برازش شد. به این ترتیب تمامی صفحات ناپیوستگی قابل روئیت موجود در توده‌سنگ به صورت هندسی و با فرض پایایی، شبیه‌سازی شدند. از طرفی دیگر با کمک داده‌های ابر نقاط متراکم، یک مدل حجمی از توده‌سنگ ایجاد شد. با تلفیق هندسة مدل سه‌بعدی درزه‌ها و مدل حجمی توده‌سنگ، بلوک‌های موجود شبیه‌سازی شده و نمودار توزیع حجم بلوک به دست آمد. به منظور اعتبارسنجی راه و روش ارائه شده در این تحقیق از یک مدل هندسی با سیستم درزه‌داری متعامد منظم که دارای حل تحلیلی دقیق است، استفاده شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Calculation of in-situ blocks volume distribution of rock masses with full persistent joints using 3D point cloud data obtained by digital joint mapping techniques

نویسنده [English]

  • Seyedahmad Mehrishal
Universuty of Mohaghegh Ardabili, Faculty of Engineering
چکیده [English]

The advent of new technologies in the field of three-dimensional mapping of outcrops has made it possible to provide precise geometrical information of the rock mass structures to identify and survey discontinuities. This research presents a process where using dense cloud data obtained from digital 3D mapping techniques and by integrating capabilities of some software, the orientation and spacing of persistent discontinuities of rock mass and the volume distribution of rock blocks are calculated. Here, at first, the points belonging to each discontinuity plate are examined by performing the coplanarity test and categorized by statistical methods. In addition, the discontinuities that are perpendicular to the surfaces of rock mass outcrop and the discontinuity plane is not visible were visually identified along their trace line. After identifying the points belonging to each discontinuity sets, points were clustered according their spatial distributions and a single plane fitted to the points belonging to each cluster. So, all visible discontinuities in rock mass, by the assumption of persistent, were geometrically simulated. On the other hand, a volumetric 3D model of rock mass was created using point cloud data. By geometric combination of generated joint planes and volumetric model of rock mass, rock blocks were created and block volume distribution diagram was obtained. In order to validate the method presented here, a geometric model with orthogonal regular joint system with accurate analytical solution was applied, and also the results were compared with the previous block volume estimation methods.

کلیدواژه‌ها [English]

  • "Digital joint survey"
  • "Digital Outcrop Model"
  • "Semi-Automatic discontinuity mapping"
  • "Rock Mass Characterization"
  • "Discontinuity extractor software"
امینی، ا. خوشرو، س، ح. 1396. تخمین حجم بلوک­های برجای سنگ با استفاده از فاصله­داری درزه­ها در معادن تراورتن آذرشهر. نشریه علمی پژوهشی مهندسی معدن.
ملایی امامزاده، ا. بهاالدینی، م. سعیدی، غ. محمدی، م. 1398، تعیین حجم بلوک و شاخص مقاومت زمین­شناسی GSI با استفاده از روش فتوگرامتری: مطالعه موردی معدن گل گهر سیرجان. نشریه علمی پژوهشی مهندسی معدن.
Bieniawski, Z.T., 1989. Engineering Rock Mass Classifications: A Complete Manual for Engineers and Geologists in Mining, Civil, and Petroleum Engineering. John Wiley & Sons.
Bonilla-Sierra, V., Donzé, F. V., Scholtès, L., & Elmouttie, M. K., 2012. The use of photogrammetry and 3D Discrete Element Models to better assess Rock Slope Stability.
Buyer, A., Schubert, W., 2017. Calculation the spacing of discontinuities from 3D point clouds. Procedia engineering, 191, 270-278.
Chesley, J. T., Leier, A. L., White, S., & Torres, R., 2017. Using unmanned aerial vehicles and structure-from-motion photogrammetry to characterize sedimentary outcrops: An example from the Morrison Formation, Utah, USA. Sedimentary Geology, 354, 1-8.
Dearman W.R., 1991. Engineering geological mapping. Butterworth - Heinemann Ltd., Oxford.
Dewez, T., Girardeau-Montaut, D., Allanic, C., & Rohmer, J., 2016. Facets: A cloudcompare plugin to extract geological planes from unstructured 3d point clouds.
Elmouttie, M. K., Poropat, G. V., 2012. A method to estimate in situ block size distribution. Rock mechanics and rock engineering, 45(3), 401-407.
Gaich, A., Poetsch, M., & Schubert, W., 2006. Acquisition and assessment of geometric rock mass features by true 3D images. In Golden Rocks, The 41st US Symposium on Rock Mechanics (USRMS). American Rock Mechanics Association.
Gigli, G., Casagli, N., 2011. Semi-automatic extraction of rock mass structural data from high resolution LIDAR point clouds. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 48(2), 187-198.
Jaboyedoff, M., Metzger, R., Oppikofer, T., Couture, R., Derron, M.H., Locat, J., Turmel, D., 2007. New insight techniques to analyze rock-slope relief using DEM and 3Dimaging cloud points: Coltop-3D software. In: Francis, T. (Ed.), Rock Mechanics: Meeting Society’s Challenges and Demands. Proceedings of the 1st Canada–U.S. Rock Mechanics Symposium, Vancouver, Canada, May 27–31, pp. 61–68.
Jaboyedoff, M., Oppikofer, T., Abellan, A., Derron, M.H., Loye, A., Metzger, R., Pedrazzini, A., 2012. Use of LiDAR in landslide investigations: a review. Nat. Hazards 61, 5–28.
Guo, J., Liu, Y., Wu, L., Liu, S., Yang, T., Zhu, W., & Zhang, Z. (2019). A geometry-and texture-based automatic discontinuity trace extraction method for rock mass point cloud. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 124, 104132.
Kemeny, J., Post, R., 2003. Estimating three-dimensional rock discontinuity orientation from digital images of fracture traces. Computers & Geosciences, 29(1), 65-77.
Lato, M.J., Voge, M., 2012. Automated mapping of rock discontinuities in 3D LiDAR and photogrammetry models. Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 54, 150–158.
Monsalve, J. J., 2019. Integrating Laser Scanning with Discrete Element Modeling for Improving Safety in Underground Stone Mines (Doctoral dissertation, Virginia Tech).
Mosch, S., Nikolayew, D., Ewiak, O., & Siegesmund, S., 2011. Optimized extraction of dimension stone blocks. Environmental Earth Sciences, 63(7-8), 1911-1924.
Palmstrom, A., Sharma, V. I., & Saxena, K., 2001. In-situ characterization of rocks. Chapter 2: Measurement and characterization of rock mass jointing.  balkema publ, 1-40.
Powers, P. S., Chiarle, M., & Savage, W. Z., 1996. A digital photogrammetric method for measuring horizontal surficial movements on the Slumgullion earthflow, Hinsdale county, Colorado. Computers & Geosciences, 22(6), 651-663.
Priest, S., Hudson, J., 1976. Discontinuity spacings in rock. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts. Elsevier, pp. 135–148.
Riquelme, A. J., Abellán, A., & Tomás, R., 2015. Discontinuity spacing analysis in rock masses using 3D point clouds. Engineering Geology, 195, 185-195.
Riquelme, A., Cano, M., Tomás, R., & Abellán, A., 2017. Identification of rock slope discontinuity sets from laser scanner and photogrammetric point clouds: A comparative analysis. Procedia engineering, 191, 838-845.
Riquelme, A., Tomás, R., Cano, M., Pastor, J. L., & Abellán, A., 2018. Automatic mapping of discontinuity persistence on rock masses using 3D point clouds. Rock Mechanics and Rock Engineering, 51(10), 3005-3028.
Riquelme, A.J., Abellán, A., Tomás, R., Jaboyedoff, M., 2014. A new approach for semiautomatic rock mass joints recognition from 3D point clouds. Comput. Geosci. 68, 38–52. http://dx.doi.org/10.1016/j.cageo.2014.03.014 (URL: http://www.sciencedirect. com/science/article/pii/S0098300414000740)
Sen, Z., Eissa, E. A., 1992. Rock quality charts for log-normally distributed block sizes. In International journal of rock mechanics and mining sciences & geomechanics abstracts (Vol. 29, No. 1, pp. 1-12). Pergamon.
Slob, S., van Knapen, B., Hack, R., Turner, K., Kemeny, J., 2005. Method for automated discontinuity analysis of rock slopes with three-dimensional laser scanning. Transp. Res. Rec. 1913, 187–194.
Sousa, L. M. O. (2010). Evaluation of joints in granitic outcrops for dimension stone exploitation. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 43(1), 85-94.
Sturzenegger, M., Stead, D., 2009a. Close-range terrestrial digital photogrammetry and terrestrial laser scanning for discontinuity characterization on rock cuts. Eng. Geol. 106, 163–182. http://dx.doi.org/10.1016/j.enggeo.2009.03.004 (URL: http://www. Sciencedirect.com/science/article/pii/S0013795209000556).
Sturzenegger, M., Stead, D., 2009b. Quantifying discontinuity orientation and persistence on high mountain rock slopes and large landslides using terrestrial remote sensing techniques. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 9, 267–287.
Sturzenegger, M., Stead, D., Elmo, D., 2011. Terrestrial remote sensing-based estimation of mean trace length, trace intensity and block size/shape. Eng. Geol. 119, 96–111.
Tannant, D. D. (2015). Review of photogrammetry-based techniques for characterization and hazard assessment of rock faces. International Journal of Georesources and Environment-IJGE (formerly Int'l J of Geohazards and Environment), 1(2), 76-87.
Thiele, S. T., Grose, L., Samsu, A., Micklethwaite, S., Vollgger, S. A., & Cruden, A. R., 2017. Rapid, semi-automatic fracture and contact mapping for point clouds, images and geophysical data. Solid Earth, 8(6), 1241.
Yarahmadi, R., Bagherpour, R., Kakaie, R., Mirzaie, N. H., & Yari, M., 2014. Development of 2D computer program to determine geometry of rock mass blocks. International Journal of Mining Science and Technology, 24(2), 191-194.