Estimation of the rock deformation modulus and RMR based on data mining techniques

In this work Data Mining tools are used to develop new and innovative models for the estimation of the rock deformation modulus and the Rock Mass Rating (RMR). A database published by Chun et al. (2008) was used to develop these models. The parameters of the database were the depth, the weightings of the RMR system related to the uniaxial compressive strength (UCS), the rock quality designation (RQD), the joint spacing (JS), the joint condition (JC), the groundwater condition (GWC) and the discontinuity orientation adjustment (DOA), the RMR and the deformation modulus. As a modelling tool the R program environment was used to apply these advanced techniques. Several algorithms were tested and analysed using different sets of input parameters. It was possible to develop new models to predict the rock deformation modulus and the RMR with improved accuracy and, additionally, allowed to have an insight of the importance of the different input parameters.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT

Slope stability evaluation. Performance of neural networks versus support vector machines

Neste trabalho são comparados os desempenhos das Redes Neuronais Artificiais (RNA) com as Máquinas de Vetores de Suporte (MVS) na avaliação da estabilidade de taludes. Para isso foi gerada uma base de dados contendo os fatores de segurança (FS) calculados para 501 taludes homogéneos bem como as suas características geométricas e geotécnicas. Os fatores de segurança foram obtidos usando o método de Bishop modificado e o software SLOPE/W. Nas análises efetuadas foi usada a biblioteca RMiner no ambiente R para facilitar o uso deste nas tarefas de classificação e regressão. Para usar aquela tarefa as bases de dados foram ajustadas substituindo o fator de segurança dos taludes por “estável” quando FS é maior ou igual à unidade e “instável” quando FS é menor que 1. Constata-se que tanto as RNA como as MVS apresentam bons desempenhos nas tarefas de regressão e de classificação. No entanto, são as MVS que apresentam os melhores desempenhos nas duas tarefas.This work compares the performances of the Artificial Neural Networks (ANN) with the Support Vector Machines (SVM) in the slope stability evaluation. For this purpose a database containing the factors of safety (FS) computed for 501 homogeneous slopes as well as their geometric and geotechnical characteristics was generated. The factors of safety were obtained using the modified Bishop method and the SLOPE/W software. The analyses were performed using the RMiner library in the R environment to facilitate its use in classification and regression tasks. In the classification task the data were adjusted by replacing the FS for “stable” when FS is greater or equal to 1 and “unstable” when FS is lower than 1. Both ANN and SVM presented good performances in regression and classification tasks. Nevertheless, the SVM had better performance in both tasks

Correlações entre algumas propriedades mecânicas de rochas graníticas com vista à escavação de túneis

A escavação de túneis em maciços rochosos é uma tarefa complexa que requer uma rigorosa caracterização dos mesmos. Essa caracterização envolve a determinação de várias características, nomeadamente a capacidade resistente da rocha e as características de fracturação do maciço. Para avaliar estas características são efectuados ensaios e o levantamento da orientação e espaçamento das diacláses, bem como o material de enchimento das mesmas. No presente trabalho, para avaliar a capacidade resistente de rochas graníticas, foram usados resultados de ensaios de compressão uniaxial, de carga pontual e com o esclerómetro de Schmidt. Foram estabelecidas correlações quer entre os parâmetros de resistência obtidos nestes ensaios quer entre esses parâmetros e o módulo de elasticidade. Foram obtidas boas correlações entre os parâmetros envolvidos.The excavation of tunnels in rock masses is a complex task that requires its accurate characterization. This characterization involves the determination of several characteristics, mainly the rock strength and the rock mass fracturation. To evaluate these characteristics, tests are performed and the orientation and joint spacing, as well as the filling material are surveyed. In this work, to evaluate the strength of granitic rocks results of uniaxial compression test, point load test and Schmidt hammer test were used. Correlations were established both between the strength parameters and between these parameters and the modulus of elasticity. Good correlations were obtained between the involved parameters

Ensaios de penetração nos solos graníticos da região norte de Portugal: Algumas correlações

Foram realizados ensaios SPT, DPH, DPL e CPT nos solos graníticos em vários locais urbanos da Região Norte de Portugal, essencialmente do Porto, Braga e Guimarães. Obtiveram-se correlações entre resultados dos ensaios SPT-DPH; CPT-DPL; CPT-DPH e DPH-DPL, que são apresentadas. Para a correlação SPT-DPH os resultados do penetrómetro usado foram convertidos nos do penetrómetro indicado no Eurocódigo 7 (parte 3) com vista a uma normalização. Os resultados do SPT foram afectados do factor profundidade segundo a regra prevista no mesmo Eurocódigo (EC7). Os resultados das correlações (lineares) foram obtidos usando o conhecido programa para computador SPSS (Statistical Package for Social Sciences). Faz-se a discussão deles no fim do trabalho. Fazem-se também considerações sobre a aplicação dos resultados dos ensaios penetrométricos à determinação das características de resistência e de rigidez dos solos ensaiados

Bayesian approach to fuse NDT data to find dynamic elastic modulus of granite stone

The main objective of the paper is to propose a criterion for combining NDT test data coming from sonic and ultrasonic tests to evaluate dynamic elastic modulus of granite stone. Bayesian updating allows us to combine initial information with new information to provide more realistic results. The paper fuses NDT test data gathered from sonic and ultrasonic tests having uncertainties in velocity, Poisson ratio and density values of granite stone under consideration using Bayesian statistics into a normal probabilistic distribution plot of dynamic elastic modulus. Many times especially in case of heritage buildings destructive tests count be performed because of minimum intrusion guidelines, so one has to rely on NDT test data to gain knowledge about the mechanical parameters of the building

The performance of ultrasonic pulse velocity on the prediction of tensile granite behaviour : a study based on artificial neural networks

The rehabilitation and repair of existing structures requires inspection. This generally includes in situ non-destructive testing. A very economical test is the non-destructive ultrasonic pulse velocity test (UPV). Lower information is available in the literature in relation to the use of this technique for the estimation of the tensile strength of materials. Therefore, this paper aims at using artificial neural networks (ANN) in the prediction of the mechanical behaviour of granites under tensile loading. The parameters under analysis are the tensile strength, displacement at peak stress and critical crack opening. For this, experimental results obtained from the physical and mechanical characterization under tension of distinct types of granites are combined and the performance of the developed models using the UPV index alone and combined with other physical parameters is analysed. The results of the ANNs models are also compared with respect to the results of regression models. The criteria used to evaluate the predictive performances of the models were the coefficient of correlation (R) and root mean square error (RMSE)

Contribuição para a obtenção de parâmetros geomecânicos para a modelação de obras subterrâneas em maciços graníticos

Nesta dissertação, pretende-se contribuir para melhorar o conhecimento sobre as formações graníticas, que cobrem uma área bastante vasta da região Norte de Portugal, nomeadamente no que concerne à obtenção de parâmetros geomecânicos tendo em vista a modelação do comportamento de obras subterrâneas, com particular incidência no caso dos túneis urbanos. O trabalho inicia-se por uma caracterização geral das formações graníticas com especial relevo para o maciço da região metropolitana do Porto, onde se desenvolvem obras subterrâneas de singular importância, realizadas em ambientes urbanos com densidade de edificações elevada e num maciço altamente heterogéneo. Efectua-se uma reavaliação de informação geomecânica recolhida através das várias campanhas de sondagens realizadas na região do Porto, que permitiu estabelecer uma série de correlações entre parâmetros geomecânicos que podem ser de grande utilidade para a caracterização destes maciços. Após uma investigação aprofundada das metodologias de caracterização de maciços e do seu comportamento, desenvolveu-se um sistema computacional que integra conhecimento organizado e sistematizado sobre a obtenção de parâmetros geomecânicos em formações graníticas rochosas, terrosas e heterogéneas. Este sistema foi aplicado ao caso de uma obra subterrânea de grandes dimensões na cidade do Porto para obtenção dos parâmetros geomecânicos, procedendo-se, de seguida, ao estudo do seu comportamento estrutural recorrendo a análises por elementos finitos. Os resultados obtidos foram comparados com os da análise efectuada com os parâmetros de projecto.This MSc thesis aims to contribute to the improvement of knowledge on granite formations that cover an important region from the North of Portugal, namely concerning the calculation of geomechanical parameters used on underground structures modelling with particular incidence on urban tunnels. The thesis begins with a general characterization of the granite formations with special emphasis to the Porto metropolitan region where unique underground structures are being developed. These underground works crosses an old and densely populated urban area and an highly heterogeneous rock mass. A revaluation of the geomechanical information obtained trough several borehole surveys in the Porto region is performed in order to establish several correlations between the geomechanical parameters that are of great utility for the characterization of these formations. After an important research of the rock and soil masses characterization methodologies and its behaviour, a knowledge based system was developed, which contains well systematized and organized knowledge about the calculation of geomechanical parameters in rock, soil and heterogeneous formations. This system was applied to a large underground structure in Porto in order to obtain the geomechanical parameters. Its structural behaviour is analysed using finite element techniques, being the obtained results compared with those obtained from the structural analysis using design parameters.Fundação para a Ciência e Tecnologia - Projecto POCTI/ECM/2521/95

Study of the performance of TBM in the excavation of granite rock masses of the north of Portugal using the Qtbm system

O sistema QTBM é uma metodologia empírica para a previsão dos rendimentos esperados na escavação de túneis com tuneladoras TBM, nomeadamente, as velocidades de penetração (PR) e de avanço (AR). Neste trabalho, esta metodologia é aplicada a uma base de dados geotécnica coligida durante as obras de construção de uma obra subterrânea hidroeléctrica na zona Norte de Portugal, com o objectivo de avaliar a adequabilidade de utilização de TBM na escavação de túneis em maciços graníticos típicos dessa região. Esta base de dados continha 1230 determinações de vários dos parâmetros necessários. Para os parâmetros em falta foram estabelecidos intervalos de confiança e realizadas análises de sensibilidade à sua variação. Deste estudo verificou-se que o maciço em questão apresenta boas características para ser escavado com recurso a tuneladora já que são expectáveis rendimentos bastante aceitáveis.The QTBM system is an empirical methodology for the performance prediction in tunnels excavated with TBM, namely the penetration and advance rates. In this work this methodology is applied to a database collected during the construction of a hydroelectric underground work built in the North of Portugal to evaluate the adequacy of using TBM in the excavation of tunnels in granite rock masses typical from that region. This database contained 1230 determinations of several parameters. For the ones missing, confidence intervals were set and sensitivity analysis was carried to evaluate the impact to their variation. From this study it was concluded that the analysed rock mass presents good characteristics to be excavated using TBM since the expected performance is rather acceptable

Geomechanical parameters evaluation in underground structures : artificial intelligence, bayesian probabilities and inverse methods

Tese de Doutoramento em Engenharia Civil - GeotecniaThis work aims to improve the numerical methodologies of geomechanical parameters eval- uation in rock masses. In particular, the assessment of strength and deformability parameters in underground structures is addressed. In this task, innovative methodologies were developed and validated using real data from the Venda Nova II hydroelectric scheme. In an underground work, the geomechanical parameters are continuously evaluated in di®er- ent stages. Three main levels were de¯ned in which this evaluation has to be carried out. Level 1 is correspondent to the preliminary design stage where the geomechanical parameters values estimation has to be made, in many cases, based on scarce and uncertain information. Level 2 is concerned with the parameters updating when new information about the rock mass is available which can happen in both design and service stages. Level 3 identi¯es the parameter values used in the constitutive models using observation results from the construction and/or service stages to perform inverse calculations. In each level, a certain amount of data concerning the rock mass is available therefore di®erent approaches were carried out. In relation to level 1, a large database of geotechnical information was gathered and explored using Data Mining techniques. The goal was to develop simple and reliable models for the geomechanical characterisation in order to be used mainly in the preliminary project stages. In what concerns level 2, a consistent and mathematically valid framework was developed, based on Bayesian probabilities, which is particularly suited to deal with the quanti¯cation of uncertainty. The application to real data from in situ tests performed by LNEC in the scope of the Venda Nova II project allowed validating the developed methodologies. In the scope of level 3, di®erent classical and new optimisation algorithms were investigated in the scope of underground works back analysis. Besides, an innovative algorithm - an evolution strategy - was used together with a 3D model of the powerhouse caverns of the Venda Nova II complex for the back analysis of the deformability modulus and in situ stress state. The results were compared with the solution provided by an optimisation software based on traditional algorithms.Este trabalho pretende contribuir para melhorar as metodologias numéricas de avaliação de parâmetros geomecânicos em maciços rochosos. Em particular, e abordada a problemática do calculo de parâmetros de resistência e deformabilidade em obras subterrâneas. Para levar a cabo esta tarefa foram desenvolvidas metodologias inovadoras que foram posteriormente validadas utilizando dados reais do complexo hidroeléctrico da Venda Nova II. Numa obra subterrânea os parâmetros geomecânicos são continuamente avaliados em diferentes fases. Assim, foram definidos três níveis principais, nos quais esta avaliação deve ser executada. O nível 1 e correspondente µa fase preliminar do projecto onde a estimativa dos parâmetros geomecânicos e executada, em muitos casos, baseada em informação escassa afectada por um elevado nível de incerteza. O nível 2 esta relacionado com a actualização do valor dos parâmetros quando estão disponíveis novos dados relativos ao maciço rochoso o que pode acontecer durante a fase de projecto de execução e/ou serviço. O nível 3 idêntica os valores dos parâmetros utilizados nos modelos constitutivos utilizando resultados de observação provenientes das fases de construção e/ou serviço. Em cada nível existe uma determinada quantidade de dados relativos ao maciço rochoso tendo-se, por isso, levado a cabo diferentes abordagens. Relativamente ao nível 1 foi reunida uma grande base de dados de informação geotécnica que foi explorada e analisada utilizando técnicas de Data Mining. O objectivo foi desenvolver modelos simples e fiáveis para o cálculo dos parâmetros geomecânicos de forma a possibilitar a sua utilização principalmente na fase preliminar do projecto. No que concerne ao nível 2 procedeu-se ao desenvolvimento de uma metodologia consistente e matematicamente valida, baseada em probabilidades Bayesianas, que e particularmente apropriada para lidar com a quantificação da incerteza relativamente ao valor dos parâmetros. A metodologia desenvolvida foi validada pela sua aplicação a dados resultantes de medições de campo efectuadas pelo LNEC no âmbito do projecto da Venda Nova II. No âmbito do nível 3 foram testados diferentes técnicas de retroanalise em obras subterrâneas. Foi também utilizado um algoritmo inovador (estratégia evolutiva) em conjunto com um modelo 3D das cavernas principais do complexo da Venda Nova II, para a identificação do modulo de deformabilidade do maciço rochoso e do estado de tensão. Os resultados foram comparados com a solução obtida utilizando um programa de optimização baseado em algoritmos tradicionais

Bearing capacity of spread foundations on rock masses according to EC7

O Eurocódigo 7 (EC7) define diretivas para o projeto de fundações superficiais assentes em maciços rochosos e apresenta o exemplo de um método para estimar a capacidade resistente presumida deste tipo de fundação. Contudo, o mesmo não tem em conta importantes fatores que influenciam a capacidade de carga da fundação, o que pode ser considerado como uma importante limitação. Neste trabalho, o método recomendado pelo EC7 é comparado com dois métodos existentes na literatura. São utilizados dois casos de estudo simples e os resultados são comparados. Da análise dos resultados detetou-se que a capacidade resistente obtida utilizando o método do EC7 é a menos conservativa num dos casos analisados e a mais conservativa, conjuntamente com um dos métodos alternativos, no outro caso estudado. Isto revela que o método preconizado pelo EC7 deve ser usado com precaução mesmo em casos muito simples.In Eurocode 7 (EC7), some guidelines are provided for the design of spread foundations built on rock masses and a method for the calculation of the bearing capacity for this type of foundations is suggested. However, this method does not take into account important factors that influence the bearing capacity of the foundation, which can be an important limitation of the method. In this work, the EC7 method is compared with two other methods that can be found in literature. They are applied to two simple examples and the results are compared. The results revealed the EC7 method as the least conservative in one of the analysed cases and the greatest conservative, jointly with other used method, in the other studied case. This means that the EC7 method should be used with caution even for very simple cases