Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
A Novel Conceptual Approach to Objectively Determine JRC Using Fractal Dimension and Asperity Distribution of Mapped Fracture Traces
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Sustainable development, Environmental science and Engineering. SKB, Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Co, Solna, Sweden.ORCID iD: 0000-0002-1574-9044
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Soil and Rock Mechanics.
2019 (English)In: Rock Mechanics and Rock Engineering, ISSN 0723-2632, E-ISSN 1434-453X, Vol. 52, no 4, p. 1041-1054Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

The understanding of fractures in hard rock is important for topics such as geomechanics, rock mechanics and groundwater flow and solute transport. One key aspect is the roughness of the fracture, often described as the joint roughness coefficient, JRC. JRC is often subjectively interpreted by one geologist comparing a fracture trace with different type traces. It has been shown that several geologists are needed to get reliable interpretations of JRC. There are numerous attempts in the literature to develop objective methods to estimate JRC from digital traces. Some methods are not applicable to fractures, which give arbitrary results while other methods are sensitive to the resolution of the digitalisation and hence need a new relationship for each resolution. Another way of describing the roughness is by the two parameters fractal dimension and magnitude distribution of the asperities. These parameters can be objectively inferred using algorithms and act as input for a model to estimate JRC. Using several evaluation methods, the uncertainty can be decreased and, hence, more robust results achieved. A multilinear model is developed, JRC = − 4.3 + 54.6σδh(1mm) + 4.3H, that estimates JRC, of the classic ten type curves by Barton and Choubey, with standard deviation ± 1 unit. Despite the simplicity of the model it explains 96.5% of the variance in JRC. The developed model is benchmarked against an ensemble of geologists, using nine synthetic fracture traces. The median difference of JRC is 0.2 units and the model shows 40% smaller spread compared to the geologists.

Place, publisher, year, edition, pages
Springer, 2019. Vol. 52, no 4, p. 1041-1054
Keywords [en]
JRC · Conceptual model · Fractal line · Hurst exponent · Fractal dimension · Asperity distribution
National Category
Geotechnical Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-248961DOI: 10.1007/s00603-018-1651-6ISI: 000462225400006Scopus ID: 2-s2.0-85057134965OAI: oai:DiVA.org:kth-248961DiVA, id: diva2:1303621
Funder
Swedish Nuclear Fuel and Waste Management Company, SKB
Note

QC 20190426

Available from: 2019-04-10 Created: 2019-04-10 Last updated: 2019-09-29Bibliographically approved
In thesis
1. Structural Uncertainties of Rock Fractures and their Effect on Flow and Tracer Transport
Open this publication in new window or tab >>Structural Uncertainties of Rock Fractures and their Effect on Flow and Tracer Transport
2019 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [sv]

Att förstå flöde och transport av lösta ämnen genom sprickorna i berggrunden är viktigt för den långsiktiga säkerheten av ett geologiskt slutförvar av farligt avfall. I en diskret spricknätverksmodell byggs flödesvägarna upp av kedjor av flödesvägar genom de enskilda sprickorna i bergmassan. Varje sådan flödesväg genom varje spricka bidrar således till bergmassans totala flödes- och transportegenskaper. Därmed är kunskap om flödes- och transportegenskaper för de enskilda sprickorna viktiga för att kunna utföra en säkerhetsanalys av ett geologiskt slutförvar av farligt avfall.Hålrummet som utgör en spricka beror av de begränsande ytornas råhet tillsammans med den normalspänning som verkar på sprickan. Därmed är uppskattningen av hålrummet beroende av noggranna mätningar av sprickans orientering i förhållande till omgivande spänningsfält samt råheten på begränsningsytorna. Eftersom alla mätningar är behäftade med osäkerheter, såsom osäkerheter i verktyg, yttre störningar och mänskliga faktorer, kommer de tolkade egenskaperna inte att beskrivas av enskilda deterministiska värden utan av sannolikhetsfördelningar. Beroende på kombinationen av använda värden från dessa fördelningar kommer flödes- och transportegenskaperna för sprickorna att variera.Syftet med denna avhandling är därför att presentera en metod att beskriva det geometriska ramverket för sprickor i kristallint berg, inklusive osäkerheter, samt att undersöka hur dessa kan påverka tolkningen av flödes- och transportegenskaper för grundvatten och lösta ämnen. Genom att beräkna sprickornas orientering och osäkerhet från sprickornas skärning med borrhål, kan ett utfallsrum för orienteringsosäkerheten beräknas. Denna osäkerhet i orientering kommer således, under antagande av ett fixt spänningstillstånd, att resultera i en fördelning av normalspänningar som kan verka på sprickan och därmed hur hoptryckt sprickan är. Råheten på sprickytorna och dess osäkerheter kan beräknas från den sprickyta som uppstår då sprickan korsar borrkärnan, givet tillräcklig upplösning på ytan samt att ytan är representativ för hela sprickan. Denna beräknade råhet påverkar korrelationsstrukturen av hålrummet mellan de två ytorna som definierar sprickan. Således kommer median och varians för tjockleken samt dess korrelationsstruktur påverkas av vilken parameterkombination som dras från utfallsrummen för normalspänning och råhet. Detta medför att flödes- och transportegenskaperna är beroende av osäkerheterna i det geometriska ramverket, dvs osäkerheterna påverkar flödesvägar, flödestider, transportmotstånd och flödesvätt yta. Typiskt kommer en högre normalspänning som verkar på sprickan att resultera i längre flödestider, längre flödesvägar, högre flödesmotstånd och större flödesvätt yta medan en råare sprickyta typiskt kommer att resultera i kortare flödestider, längre flödesvägar, lägre flödesmotstånd och mindre flödesvätt yta. Slutsatsen av arbetet är således att osäkerheterna i att bestämma det geometriska ramverket påverkar resultatet för sprickornas tolkade flödes- och transportegenskaper.

Abstract [en]

A clear understanding of solute flow and transport through the network of fractures in the rock mass is essential for accurate long-term safety assessments of geological storage of hazardous waste. In a discrete fracture network (DFN) model, flow and transport of solutes are described by chains of flow paths through single fractures, each of which contributes to the total flow and transport properties of the rock mass. Hence, knowledge of the flow and transport properties of each single fracture is essential for accurate safety assessment.The void space that forms a fracture is a derivative of the roughness of the bounding surfaces and the normal force acting on the fracture and is hence dependent on accurate measurement of these properties. As all measurements are associated with uncertainties stemming from e.g. instrument imprecision, external disturbances and human factors, the measured value of the properties will not be single values, but probability distributions. Depending on the set of values drawn from these distributions, interpretations of flow and transport properties of sheared fractures in crystalline hard rock will vary.This thesis examines how flow and transport properties through single fractures are affected by uncertainties in fracture orientation and in roughness. By inferring the orientation and its uncertainty from the fracture intercepts in boreholes, a probability space for the orientation of the fracture is obtained. For a given stress state, this uncertainty in orientation will result in a distribution of normal stresses acting on the fracture. The roughness of the fracture and its uncertainty can be inferred from the small intersecting surfaces of the rock core, if the resolution is sufficient and the surface is representative of the fracture. The inferred roughness affects the correlation structure of the void between the two surfaces defining the fracture and, together with the distribution of normal stresses, produces different flow paths and hence different properties of flow and transport of solutes. Depending on the parameter combinations, the median and variance of the aperture field will change, as will the correlation structure of apertures. Since the flow and transport properties depend on the geometrical framework, the uncertainty will affect path length, travel time, transport resistance and flow-wetted surface. Higher normal stress acting on the fracture will typically result in longer travel times, longer travel lengths, higher transport resistance and larger flow-wetted surface. A rougher fracture will typically result in shorter travel times, longer travel lengths, lower transport resistance and smaller flow-wetted surface. The conclusion is, hence, that uncertainties in the geometric framework will affect flow and tracer transport properties.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2019. p. 96
Keywords
Fracture, Flow, Transport, Orientation uncertainty, Roughness, Self-affine, Fractal, Shear, Aperture distribution.
National Category
Natural Sciences
Research subject
Land and Water Resources Engineering
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-260388 (URN)TRITA-ABE-DLT (Local ID)978-91-7873-260-9 (ISBN)TRITA-ABE-DLT (Archive number)TRITA-ABE-DLT (OAI)
Public defence
2019-11-07, Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20191009

Available from: 2019-10-09 Created: 2019-09-29 Last updated: 2019-10-09Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textScopushttps://link.springer.com/content/pdf/10.1007%2Fs00603-018-1651-6.pdf

Authority records BETA

Stigsson, MartinIvars, Diego Mas

Search in DiVA

By author/editor
Stigsson, MartinIvars, Diego Mas
By organisation
Sustainable development, Environmental science and EngineeringSoil and Rock Mechanics
In the same journal
Rock Mechanics and Rock Engineering
Geotechnical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 59 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf