طبقه بندی آماری ضریب زبری درزه با روش بردار پشتیبان

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دکتری مکانیک سنگ، دانشکده فنی و مهندسی، بخش معدن، دانشگاه شهید باهنر کرمان

2 دانشیار، دانشکده فنی و مهندسی، بخش معدن، دانشگاه شهید باهنر کرمان

3 استاد، دانشکده فنی و مهندسی، بخش معدن، دانشگاه شهید باهنر کرمان

4 دانشجوی دکتری مکانیک سنگ، دانشکده فنی و مهندسی، بخش معدن، دانشگاه شهید باهنر کرمان

چکیده

زبری یکی از خصوصیات هندسی درزه‌ها است که بیان آن از طریق روش‌های مختلف امکان پذیر است. در این مطالعه از 8 پارامتر مختلف برای تخمین ضریب زبری درزه (JRC) برای 112 پروفیل زبری مختلف استفاده شده است. با توجه به محدوده تغییرات نسبتا زیاد این پارامترها در یک کلاس زبری مشخص و هم‌پوشانی این محدوده‌ها با کلاس های مجاور زبری، به منظور استفاده همزمان از دو پارامتر برای تخمین JRC ماتریس تأثیر متقابل این پارامترها بر مقدار JRC ایجاد شد. تفکیک پذیری کلاس‌های مختلف زبری در سناریو‌های مختلف با استفاده از ضریب همبستگی پیرسون و استفاده از قضاوت مهندسی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که حالت‌هایی با ضریب همبستگی در حدود 8/0 برای کلاس‌بندی JRC مناسب هستند. به دلیل وجود مرزهای نسبتاً مشخص بین دو کلاس زبری متوالی نسبت به سایر حالت‌ها و داشتن مفهوم مهندسی مشخص از پارامترهای انحراف معیار ارتفاع دندانه‌ها و انحراف معیار زاویه دندانه‌ها برای طبقه‌بندی JRC استفاده شد. اگرچه با استفاده از پارامترهای دو بعدی گراسلی، Z2 و انحراف معیار اختلاف ارتفاع دندانه‌ها نیز می‌توان برای طبقه‌بندی JRC استفاده کرد. با استفاده از روش ماشین بردار پشتیبان، مرز بین کلاس‌های مختلف زبری مشخص شد. نتایج طبقه‌بندی انجام‌شده با انجام 20 آزمایش برش مستقیم بر روی سطوح درزه طبیعی اعتبار سنجی شد. بیش از 70 درصد نتایج پیش‌بینی با نتایج آزمایشگاهی تطابق دارد و حدود 20 درصد نتایج مقدار پیش‌بینی‌شده با مقدار واقعی یک کلاس فاصله دارد. با این ‌وجود تخمین زبری با استفاده از پروفیل‌ها دوبعدی همواره با محدودیت‌ روبرو است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Statistical Classification of Joint Roughness Coefficient by Support Vector Machine

نویسندگان [English]

  • Saeid Kariminasab 1
  • Hossein Jalalifar 2
  • Hojat Nasab 3
  • Masoud ShamsoddinSaeed 4
1 -
2 Shahid Bahonar University of Kerman
3 Mining Eng. Dept., Faculty of Eng., Shahid Bahonar University of Kerman
4 Mining Eng. Dept., Faculty of Eng., Shahid Bahonar University of Kerman
چکیده [English]

Roughness is one of the geometrical properties of rock joints that can be expressed through various methods. In this paper, eight different parameters were used to estimate the joint roughness coefficient (JRC) of 112 joint roughness profiles. The range of variation of these parameters in a given roughness class is relatively large. These roughness values overlap with their adjacent classes. In order to use two parameters simultaneously to estimate the JRC matrix, the interaction of these parameters on the JRC value were evaluated. The resolution of different roughness classes in different scenarios was evaluated using Pearson correlation coefficient and using engineering judgment. So in this paper, a new method based on the classification of joint roughness coefficient (JRC) by support vector machine (SVM) is purposed. So in this paper, a new method based on the classification of joint roughness coefficient (JRC) by support vector machine (SVM) is purposed. Different joint roughness parameters including Z2, RP, Grasselli2D, standard deviation of asperities height (SDH), standard deviation of profiles height variation (SDPHV), standard deviation of asperities angle (SDA), and geostatistical parameters including range (a), sill (C), CA and SRv were evaluated for 112 joint roughness profiles. Using these 8 parameters, an 8 by 8 interaction matrix was created which consequently resulted in 28 individual two-dimensional JRC classification scenarios. A graph with SDH and SDA was selected for the Statistical classification of JRC (SCJRC) because of the relatively obvious boundary between JRC classes and easy calculation. Finally, data classification was performed by SVM. The estimation of SCJRC was checked by 20 experimental direct shear test data. A good agreement is observed between SCJRC and experimental results. The results illustrate that SCJRC is an appropriate method for the estimation of JRC.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Joint roughness coefficient
  • Support vector machine
  • Classification
  • Roughness
  • Direct shear test
منابع Wittke, W; 2014; “Rock mechanics based on an anisotropic jointed rock model (AJRM)”; John Wiley & Sons. ISBN: 978-3-433-03079-0.## ISRM, I.; 1978; “Suggested methods for the quantitative description of discontinuities in rock masses. Commission on the standardization of Laboratory and Field Tests in Rock Mechanics”; ISRM.## Barton, N. & V. Choubey; 1977; “The shear strength of rock joints in theory and practice”; Rock mechanics 10(1-2): 1-54.## Babanouri, N. & S. Karimi-Nasab & S. Sarafrazi; 2013; “A hybrid particle swarm optimization and multi-layer perceptron algorithm for bivariate fractal analysis of rock fractures roughness”; International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 60: 66-74.## Park, J.-W., Y.-K. Lee, J.-J. Song & B.-H. Choi; 2013; “A constitutive model for shear behavior of rock joints based on three-dimensional quantification of joint roughness”; Rock mechanics and rock engineering 46(6): 1513-1537.## Babanouri, N. & S. Karimi-Nasab; 2015; “Modeling spatial structure of rock fracture surfaces before and after shear test: a method for estimating morphology of damaged zones”; Rock Mechanics and Rock Engineering 48(3): 1051-1065.## Fathi, A., Z. Moradian, P. Rivard, G. Ballivy & A. J. Boyd; 2016; “Geometric effect of asperities on shear mechanism of rock joints”; Rock Mechanics and Rock Engineering 49(3): 801-820.## Lianheng, Z., Z. Shuaihao, H. Dongliang, Z. Shi & L. Dejian; 2018; “Quantitative characterization of joint roughness based on semivariogram parameters”; International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 109: 1-8.## Grasselli, G.; 2001; “Shear strength of rock joints based on quantified surface description”; EPFL.## Grasselli, G. & P. Egger; 2003; “Constitutive law for the shear strength of rock joints based on three-dimensional surface parameters”; International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 40(1): 25-40.## He, Z.-m., Z.-y. Xiong, Q.-g. Hu & M. Yang; 2014; “Analytical and numerical solutions for shear mechanical behaviors of structural plane”; Journal of Central South University 21(7): 2944-2949.## Huan, J.-y., M.-m. He, Z.-q. Zhang & N. Li; 2019; “A New Method to Estimate the Joint Roughness Coefficient by Back Calculation of Shear Strength." Advances in Civil Engineering 2019.## Gravanis, E. & L. Pantelidis; 2019; “Determining of the Joint Roughness Coefficient (JRC) of Rock Discontinuities Based on the Theory of Random Fields”; Geosciences 9(7): 295.## Asadi, M. S., V. Rasouli & G. Barla; 2012; “A bonded particle model simulation of shear strength and asperity degradation for rough rock fractures”; Rock Mechanics and Rock Engineering 45(5): 649-675.## Rasouli, V. & J. Harrison; 2010; “Assessment of rock fracture surface roughness using Riemannian statistics of linear profiles”; International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 47(6): 940-948.## Lê, H. K., W.-C. Huang, M.-C. Liao & M.-C. Weng; 2018; “Spatial characteristics of rock joint profile roughness and mechanical behavior of a randomly generated rock joint”; Engineering Geology 245: 97-105.## Fecker, E. (1978). “Geotechnical description and classificatioin of joint surfaces”; Bulletin of the International Association of Engineering Geology-Bulletin de l'Association Internationale de Géologie de l'Ingénieur 18(1): 111-120.## Chen, S., W. Zhu, Q. Yu & X. Liu; 2016; “Characterization of anisotropy of joint surface roughness and aperture by variogram approach based on digital image processing technique”; Rock Mechanics and Rock Engineering 49(3): 855-876.## Boser, B. E., Guyon, I. M., & Vapnik, V. N. ;1992; “A training algorithm for optimal margin classifiers”; In Proceedings of the fifth annual workshop on Computational learning theory (pp. 144-152).## Li, Y., & Huang, R.; 2015; “Relationship between joint roughness coefficient and fractal dimension of rock fracture surfaces”; International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 75, 15-22.##