Modelling the mechanical behaviour of gallery intersections excavated in anisotropic claystone. Panteleimon RAPANAKIS Modélisation du comportement mécanique des intersections de galeries creusées dans une roche argileuse anisotrope argileuse anisotrope

Mardi 17 décembre à 14h00, en salle A111 de l'ENTPE (3 Rue Maurice Audin, 69120 Vaulx-en-Velin)

https://zoom.us/j/94511210785

La soutenance se déroulera en anglais

Les membres du jury seront :

• Muriel GASC-BARBIER - Directrice de recherche - Cerema - Examinatrice
• Richard GIOT - Professeur - Université de Poitiers - Rapporteur
• Marco BARLA - Professeur - Politecnico di Torino - Rapporteur
• Jean SULEM - Professeur - Ecole Nationale des Ponts et Chaussées - Examinateur
• Jan CORNET - Docteur - Andra - Examinateur
• Antonin FABBRI - Directeur de recherche -  ENTPE - Directeur de thèse
• Benoît PARDOEN - Chargé de recherche - ENTPE - Co-directeur de thèse
• Denis BRANQUE - Chargé de recherche - ENTPE - Co-encadrant de thèse
• Gilles ARMAND - Docteur - Andra - Invité
• Nicolas BERTHOZ - Docteur - CETU - Invité

Abstract

In underground construction, the design of gallery intersections presents a complex threedimensional challenge influenced by numerous factors such as the structural geometry, the rock and support behaviour and the initial stress conditions. In the current research, a threedimensional finite element model is developed to analyse the mechanical behaviour of deep gallery intersections excavated in the Callovo-Oxfordian (COx) claystone—an anisotropic rock formation selected as the host for a deep geological repository for radioactive waste in France. The analysis focuses on modelling the construction of circular galleries, intersecting at a normal angle. The objective is to develop a robust numerical model capable of reproducing the short-term mechanical response of the COx rock around the intersections. This model aims to numerically characterise the plastic zone affected by the excavation and provide insights into the rock's behaviour. To achieve this, the model must account for both the structural anisotropy of the COx claystone as well as its anisotropic initial stress state. To meet these objectives, a mechanical anisotropic elastoplastic constitutive law is developed and implemented in the Code Aster$^\copyright$ finite element solver. A classical nonassociated Drucker-Prager yield criterion is used to define the material's strength. The fabric tensor method has been implemented to describe the structural anisotropy of the sedimentary rock. Firstly, the proposed model is calibrated using experimental data from triaxial compression tests. To account for scale effects between laboratory and in-situ conditions, the parameters of the model are further calibrated at the gallery scale. This calibration is based solely on reproducing a plastic zone that approximates the extent of the in-situ Excavation Damaged Zone (EDZ) observed around galleries excavated in the COx clay rock at the Meuse/Haute-Marne Underground Research Laboratory (URL). The numerical results obtained, confirm the model's ability to reproduce a preferential extent and orientation of the plastic zone in the rock surrounding the gallery. Based on this large-scale calibration, the numerical model is then applied to analyse the mechanical behavior of gallery intersections under various conditions, such as initial stress state and the orientation of the main and secondary galleries. This provides insights into the distribution of stress and plastic strain, as well as the shape and size of the surrounding plastic zone within the rock mass. The results indicate that the plastic zone is primarily influenced by the anisotropy of the material and the specific geometry of the intersection. Furthermore, the model is assessed under varying support configurations to evaluate the influence of the support stiffness on the aforementioned parameters. The use of stiffer support leads to a reduction in both the size and extent of the plastic zone. The comparative analyses of the various results demonstrate the model's ability to simulate the short-term mechanical behaviour of COx claystone. By reproducing the mechanical responses and interactions observed experimentally in the URL with a reasonable degree of fidelity, this work provides valuable insights into the stability and performance of gallery intersections in anisotropic rock formations. Consequently, it offers a sophisticated tool for the prediction and management of underground excavation processes.

Keywords: Callovo-Oxfordian (COx) claystone - Gallery intersections - 3D numerical modelling - Material anisotropy

 

Résumé

En travaux souterrains, la construction d’intersections de galeries est un problème tridimensionnel complexe qui dépend de nombreux facteurs tels que la géométrie de la structure, le comportement de la roche et du soutènement et l'état de contraintes initial. Dans ce travail de recherche, un modèle numérique tridimensionnel a été développé afin d’étudier le comportement mécanique d’intersections entre galeries excavées à grande profondeur dans l'argilite du Callovo-Oxfordien (COx), considérée en France comme une potentielle roche hôte pour le stockage géologique profond de déchets radioactifs. L'analyse concerne la construction de galeries circulaires se croisant perpendiculairement. L'objectif est de proposer un modèle numérique robuste capable de reproduire la réponse mécanique à court terme de l’argilite du COx autour des intersections. Ce modèle vise à caractériser numériquement la zone plastique affectée par l'excavation de l'intersection et d'obtenir des informations sur son comportement. Dans ce but, l'anisotropie structurelle de l'argilite du COx et l’état de contrainte initial anisotrope, doivent être pris en compte dans le modèle numérique. Pour atteindre ces objectifs, une loi constitutive élastoplastique anisotrope mécanique est développée et implémentée dans le solveur par éléments finis Code Aster©. En particulier, un critère de Drucker-Prager avec écrouissage positif est utilisé pour définir la résistance du matériau. La méthode du tenseur de fabrique est utilisée pour prendre en compte l’anisotropie du matériau liée à sa structure sédimentaire en couches. Le modèle proposé est tout d'abord calibré sur la base de données expérimentales issues d’essais de compression triaxiale. Pour tenir compte des effets d'échelle entre les conditions de laboratoire et les conditions in situ, un calibrage des paramètres du modèle est ensuite effectué à l'échelle de la galerie. De ce fait, l’objectif a été de reproduire une zone plastique autour d’une galerie qui se rapproche de l'extension de la zone endommagée (EDZ) observée in situ autour des galeries du Laboratoire souterrain de recherche de Meuse/Haute-Marne (LSMHM) creusées dans l’argilite du COx. Les résultats numériques obtenus montrent une bonne capacité du modèle à reproduire une extension et une orientation préférentielles de la zone plastique dans la roche autour de la galerie. Sur la base de cette calibration à grande échelle, le modèle numérique est ensuite appliqué à l'analyse du comportement mécanique des intersections de galeries sous différentes hypothèses (état de contrainte initial, orientation des galeries principales et secondaires, etc.). Ceci permet d'obtenir des indications sur la distribution des contraintes et des déformations plastiques, ainsi que sur la forme et la taille de la zone plastique environnante dans la masse rocheuse. Les résultats indiquent que la zone plastique est principalement influencée par l'anisotropie du matériau et par la géométrie particulière de l'intersection. Par ailleurs, le modèle a permis d’étudier différentes configurations de soutènement de l’intersection afin d'évaluer l'influence de la rigidité du soutènement sur les paramètres susmentionnés. L'utilisation d'un support plus rigide conduit à une réduction de la taille et de l'étendue de la zone plastique. L'analyse comparative des différents résultats met en évidence la capacité du modèle à simuler de façon pertinente le comportement mécanique à court terme de l'argilite du COx. En reproduisant de façon relativement fidèle les réponses mécaniques et les interactions observées expérimentalement au sein du LSMHM, ce travail fournit des informations sur la stabilité et la performance des intersections de galeries dans les formations rocheuses anisotropes, offrant un outil sophistiqué pour améliorer la prédiction et la gestion des processus d'excavation souterraine.

Mots-clés: Argilite du Callovo-Oxfordien (COx) - Intersections des galeries - Modélisation numérique 3D - Anisotropie des matériaux