Ultrasonic sounding and monitoring of the excavation damaged zone in relation with drift support

International audienceUnder high in situ stresses, the excavation of underground openings generally causes the creation of a disturbed (EdZ: Excavation disturbed Zone) and/or damaged (EDZ: Excavation Damaged Zone) zone, resulting from the initiation and growth of cracks and fractures and from the pre-existing stress redistribution. The EdZ or EDZ changes the mechanical and hydromechanical properties which in return, constitute a potential risk for the performance of the geologic and/or engineered structures in the context of waste underground storage. Ultrasonic experiments have been implemented to characterize the EDZ extension around drifts and its evolution in time according to the structural support type (soft or rigid) and the environmental conditions. Those studies consist of two experimental components: (1) the prior auscultation of the floor and sidewalls of the gallery by ultrasonic transmission tomography, (2) the monitoring of the time-dependant evolution of EDZ and the analysis of measurable changes in the propagation of ultrasonic waves in the medium term. A code for computing these continuous in situ velocity measurements into the elastic has been developed. Then, the five dynamic elastic constants for the assumed transverse isotropic character of the rock are derived as a function of time and the distance from the drift wall. Performed a few months after the excavation of the galleries, the tomography shows that ultrasonic velocities are higher in the orthoradial direction (both in the concrete support and rock). This velocity field highlights clearly the damaged zone and induced stress shift

Auscultation et surveillance des pertubations hydromécaniques d'ouvrages souterrains par la mesure et l'analyse de la propagation d'ondes dans les roches

International audienceThe excavation of a drift creates a disturbed zone, which is called EDZ (Excavation Disturbed or Damaged Zone). The study of the mechanical characteristics of this zone is essential to estimate the stability of such a drift at short, mean or long term. The propagation of ultrasonic waves is used as a mean of analysis in rock mechanics since the 1960s. Initially, it was used to determine the dynamic elastic properties. Then, it was gradually adapted to the study of the other properties of the material such as cracking, porosity, saturation, etc. With the computer tools continuously more powerful, a more elaborated treatment of the signals became possible, which allows characterization of the "EDZ". The Tests carried out in laboratory, allowed us to correlate P-wave and mechanical parameters of the studied media in elastic and plastic phases. Besides, the mechanical modeling of the EDZ around a drift allows understanding the mechanical phenomena on the scale of the work. Finally, the results of an in-site experiment allowed us to locate the EDZ around an underground mine pillar. It contributed to have a better understanding of the mechanical models available and to estimate the pillar stability.Lorsqu'une galerie est excavée, quelle que soit la méthode d'excavation, la roche encaissante subit des perturbations dans une zone dite EDZ (Excavation Disturbed or Damaged Zone). Ces perturbations peuvent se traduire par différents effets allant d'une faible variation de la pression interstitielle à un endommagement important, voire la rupture de l'ouvrage et peuvent mettre en danger la stabilité d'une partie ou de l'ensemble de l'ouvrage souterrain concerné. L'étude des caractéristiques mécaniques de cette zone " EDZ " est essentielle pour estimer la stabilité de l'ouvrage à court, moyen ou long terme. La propagation des ondes ultrasoniques est utilisée comme moyen d'analyse en mécanique des roches depuis les années 1960. Initialement, elle a été mise au point pour déterminer les modules élastiques dynamiques des roches. Ensuite, elle a progressivement été adaptée à l'étude d'autres propriétés du matériau telles que : fissuration, porosité, saturation, etc. Avec les outils informatiques sans cesse plus puissants, un traitement des signaux plus élaboré est devenu possible, ce qui permet d'envisager la caractérisation de l' " EDZ " par cette méthode. Des essais en laboratoire à la fois acoustiques et mécaniques, nous ont permis de relier qualitativement les paramètres de propagation des ondes et les caractéristiques mécaniques du milieu étudié pendant les phases élastique et plastique. Par ailleurs, la modélisation mécanique de l'EDZ autour d'une galerie permet de comprendre les phénomènes mis en jeux à l'échelle de l'ouvrage. Enfin, les résultats d'une expérimentation in situ ont permis de caractériser la distribution de la zone endommagée autour d'un pilier de mine, ce qui a contribué à la vérification des modèles mécaniques existants et à l'estimation de la stabilité de l'ouvrage

A Highly Instrumented Underground Research Gallery as a Monitoring Concept for Radioactive Waste Cells - Data Measurement Qualification

International audienceThis document presents a dedicated work performed in AndraÕs underground research laboratory (URL) in order to prepare, to test and to qualify the future monitoring system of underground disposal for the French long-lived, intermediate and high level radioactive wastes. Part of the monitoring system qualification process relies on testing sensors on full-scale demonstrators and ensuring that we carefully observe the desired parameters. One of these demonstrators is a concrete liner in a tunnel aiming at support the mechanical pressure of the host rock. A 3.6 meter long section of this gallery has been highly instrumented by various technologies of sensors. This paper describes the monitoring system installed and demonstrates how a numerical model of the demonstrator has been utilized to comfort and validate sensors' measurements

Evidencing Fast, Massive, and Reversible H + Insertion in Nanostructured TiO2 Electrodes at Neutral pH. Where Do Protons Come From?

International audienceOngoing developments of sustainable energy technologies based on high-surface-area semiconductive metal oxide electrodes operating under mild and safe aqueous conditions require deep understanding of proton and electron transfer/transport throughout their porous structure. To address this issue, we investigated the electrochemical reductive protonation of high surface area nanostructured amorphous TiO 2 electrodes (produced by glancing angle deposition) in both buffered and unbuffered aqueous solutions. Quantitative analysis of the two charge storage mechanisms was achieved, allowing proper deconvolution of the electrical double-layer capacitive charge storage from the reversible faradaic one resulting from the proton-coupled reduction of bulk TiO 2. We evidence that this latter process occurs reversibly and extensively (up to an intercalation ratio of 20%) not only under strongly acidic pH conditions but also, more interestingly, under neutral pH with the intercalated proton arising from the buffer rather than water. Moreover, we show that in comparison with reductive Li + intercalation the proton-coupled electron charge storage occurs more rapidly (in a few seconds). This important finding suggests that a high-rate and high-power charge storage device could potentially be achieved with the reversible H +-coupled charge/discharge process in TiO 2 at neutral pH, opening thus new opportunities to the development of eco-friendly batteries for electrical energy storage

Développement et application de méthodes d'imagerie sismique pour la détection des cavités souterraines en milieu urbain

National audienceL'existence dans le sous-sol de cavités souterraines d'origine anthropique et abandonnées ou naturelles représente un risque potentiel d'effondrement particulièrement sensible en milieu urbain. Dans le cas où la position de ces cavités est connue, la prévention consiste avant tout à cartographier le risque sur un plan d'urbanisation, via un Plan de Prévention des Risques Naturels. Dans le cas contraire, la cartographie des zones d'aléas peut être établie en utilisant des méthodes de reconnaissance. C'est précisément dans ce cas qu'il apparaît essentiel de mettre en oeuvre des moyens de reconnaissance du sous-sol appliqués aux cavités souterraines. Leur détection et leur localisation constituent un enjeu technique et scientifique capital dans le processus de gestion du risque. Dans la plupart des cas, la recherche de cavités s'effectue à l'aide de méthodes destructives, typiquement des réseaux de sondages pour les galeries ou des décapages de surface pour les puits. Le décapage est cependant impossible à appliquer avec un tissu urbain trop important ou avec des remblais trop épais. Par ailleurs, lorsque les cavités sont plus profondes, remblayées ou de petite taille, un maillage de sondages, même dense, ne garantit plus leur détection. Ces différentes conditions défavorables se retrouvent logiquement dans les zones urbanisées où les enjeux et les risques sont les plus élevés. Des travaux de recherche ont donc été conduits pour choisir et affiner des méthodes géophysiques capables de détecter les cavités plus profondes ou sous bât

Techniques d'instrumentation ultrasonique appliquées à la caractérisation de l'endommagement d'ouvrages souterrains

Dans le cadre des expérimentations du site pilote de Tressange (bassin ferrifère lorrain), une sonde ultrasonique a été développée pour mesurer la vitesse des ondes P et S dans les sondages. Deux diagraphies horizontales dans un pilier mettent en évidence des variations de fracturation ou de contrainte. Dans le premier sondage, il y a une augmentation linéaire de la vitesse approximativement jusqu'à 2,5 m du parement, suivie d'une vitesse constante. Ceci est interprété comme l'extension de la zone endommagée dans le pilier à cet endroit. Dans le second sondage, situé de l'autre côté du pilier, la vitesse observée est constante sur les 3 premiers mètres. La vitesse coïncide avec celle observée à proximité du parement dans l'autre sondage. Après 3 m, la vitesse tend linéairement vers la même valeur que dans la zone non endommagée du sondage BGP92. Cela suggère que les 3 premiers mètres représentent une section du pilier qui est découplée du reste de la masse, peut-être à cause d'une fracture (naturelle ou induite par l'excavation). Le découplage semble décharger ce bloc de la roche en place. D'un point de vue général, ces mesures confirment que les piliers de ce type de zone minière ne sont pas porteurs dans l'intégralité de leur dimension géométrique apparente

Ultrasonic survey and monitoring of the excavation damaged zone in callovo-oxfordian argillaceous rock

The mining of galleries in geological claystones formation induces a stress redistribution that can cause a microfissuration of the rock around the works which, by coalescence, may generate macro field fractures. In this area called EDZ (Excavation Damaged Zone), permeability is expected to increase drastically. Those induced cracking along with increased permeability, shall be taken into account in safety assessment of deep geological disposal. Ultrasonic survey and monitoring experiments have been performed in the Underground Research Laboratory of Meuse/Haute-Marne to contribute to the understanding of the extension and evolution of this damage. Ultrasonic devices have been deployed around shaft, gallery, slot and borehole to characterize the initiation, the extension and the level of the EDZ, P-wave velocity being very sensitive to the mechanical rock perturbations. The analysis of spatial and temporal velocity field changes gave reliable information on the cracks characteristics of the especially about their opening or their preferential orientation. The results provided by an ultrasonic device around shaft mine by test highlighted the initialization and extension of the damage as the shaft front proceeded. They also showed a polarisation of the velocity field and an oscillation of the transversal isotropy with a preferential orientation of the stress release and the microcracking. Otherwise, with a new automatic and ultrasonic probe, we have found around a borehole that the damage zone extends up to 0.175 diameter of depth with an anisotropic damage pattern oriented according to the regional stress field (Figure 1). Nevertheless, the evolution of this damaged zone is still not well known at longer term, particularly under the influence of parameters such as the reconfining rock in contact with a rigid concrete surface. Is it possible that cracks close up significantly toward their seal? Induced mechanical perturbations are in this case much weaker than those generated by the excavation itself. A new ultrasonic experiment has been designed to be more sensitive to the frequency modulation of the P and S-wave sources. The purpose is to determine on site the dynamic elastic stiffness and the corresponding crack density tensors change before and during the resaturation and reconfining of the damaged and undamaged excavation vicinit

Earthquake induced vibrations versus depth at the underground research laboratory of Meuse/ Haute-Marne

Meuse/Haute-Marne underground research laboratory is installed in a region rated at very low seismic hazard for obvious safety reasons. No earthquake of magnitude greater than 3.5 has been reported or identified in the area of interest through historical evidence or records. There are nevertheless a few active faults over the 60 km distance range whose induced traveling vibrations can be detected. Known historical earthquakes (primarily in the Vosges mountainous region) showed a magnitude between 3 and 6 (Brulhet, 2005). Even if the seismic waves, as a transient mechanical input, are of very low levels, it is of interest to characterize their amplitudes in the laboratory to find out if they may have some influence on the design of underground installations. Another issue is to know whether or not seismic waves are amplified or attenuated according to depth and the lithology of the geological overburden. It is known that seismic ground-motion is generally stronger at the surface than underground. For shallow underground structures, Power et al (1996) have estimated the ratio between the maximum acceleration and the surface at different depths; they observed that it decreased by 10% every 15 meters. This result cannot be generalized since it depends largely on the geological setting. More recently Aydan et al (2009) compared the acceleration of the earthquake in L'Aquila in Italy (6.3 magnitude) between a surface station and a station located at the Underground Physics Laboratory at Gran Sasso, 1400m depth. In this case, the maximum acceleration of the surface wave was found to be more than 6 times higher than in the deep gallery. This amplification is due mainly to the interface between soil and atmosphere, where the bulk waves are largely reflected or refracted and while surface waves (Love or Rayleigh waves) are dominant. There are also site effects that amplify the wave amplitude especially in the superficial sedimentary layers. Furthermore, for the same wave, the amplitude of ground motion is inversely proportional to the stiffness of the rock strata. Vibration amplitude in a deep underground structure in a hard competent rock is expected to be lower than in a soft loosened rock. To highlight those phenomenons, a monitoring network composed of three-components accelerometric stations is installed in the laboratory with a frequency range of 0.1 Hz-100 Hz. The network layout consists of a surface station, a station -254 m deep located in the auxiliary shaft (in the limestones of the oxfordian superior), a station in the experimentation gallery -445 m deep (in the mudstones of the oxfordian medium) and finally a station at the main level -490 m deep in the host layer of the oxfordian inferior (Figure 1). The largest acceleration recorded was measured during the earthquake of Besançon the 23rd april 2004 (magnitude 5.5 and 150 km distant) on the station of surface with a peak ground acceleration of 0.02 m.s-2. Since this earthquake, only 1 or 2 earthquakes per year are recorded with a peak acceleration exeeding the 0.0005 m.s-2 triggering threshold. Despite the very low rate of detection, their analysis on the different station of the network shows a systematic amplification of their amplitude and energy on the surface station and to a lesser extent at the mean level -490 m. It is the station in the shaft (-254 m) that measures the lowest solicitation. In parallel, a field study to characterize rock damping properties has been undertaken from data coming from both a temporary accelerometric network and three vertical seismic profiles in deep boreholes located in the neighborhoods. As regards the temporary accelerometric network, data analysis was based on the H/V method that compares the spectrum of the vertical component of the seismic signal with the spectrum of the horizontal components (Nakamura, 1989). H/V Measurements of recorded earthquakes have highlighted a likely weak site effect on the surface with a dominant frequency of 2.5 Hz and corresponding to a the 125 m thick Kimmeridgian marl geological layer overlying to the underground laboratory. If the absolute amplitude of this site effect could not be determined from this preliminary study, it could be estimated with the analysis of the recorded waveforms on the regional stations. Variations in the attenuation properties of seismic waves through the rock cover were estimated from the data of 3 vertical seismic profiles. These show a consistent trapping like effect of waves in the layers with low seismic impedance. This result should however take into account the change in the frequency range for a direct transposition of the seismic sources (14 to 140 Hz) to the characteristics of earthquakes (1-7 Hz). This result calls for further investigations and numerical modeling to specifically quantify its influence.Le laboratoire de recherche souterrain de Meuse/Haute-Marne a été installé dans une zone asismique pour des raisons évidentes. Il y a néanmoins des failles actives à moins de 200 km dont les vibrations peuvent être ressenties. Même si les sollicitations sont très faibles, il est nécessaire de connaitre leur amplitude exacte au niveau du laboratoire pour savoir si elles peuvent éventuellement avoir une influence sur le dimensionnement des ouvrages souterrains. Dans ce but, un dispositif avec 4 stations accélérométriques 3 composantes a donc été installé à différentes profondeurs dans le laboratoire en liaison avec le CENARIS

Développement des techniques de surveillance des mouvements de terrain induits par une exploitation souterraine : cas de la carrière de gypse de Grozon

National audienceToute carrière souterraine exploitée par la technique des chambres et piliers abandonnés génère des vides résiduels importants au sein du massif rocheux. La création de ces vides est fonction du schéma d'exploitation, de la profondeur des travaux, de la géologie des massifs, des états de contrainte locaux, et d'autres facteurs susceptibles de provoquer des modifications de l'état du milieu environnant. Ainsi, certaines instabilités peuvent se développer au sein des anciens vides et se propager vers la surface. Les principales causes de désordres susceptibles de se développer à l'aplomb de travaux profonds résultent généralement de la rupture localisée ou généralisée de piliers. Cette rupture peut notamment résulter d'une mauvaise superposition des appuis engendrant des contraintes de traction et de cisaillement au sein des planches intercalaires. Souvent les instabilités résultent pour partie d'une diminution des caractéristiques mécaniques du fait du vieillissement. C'est la nature du recouvrement qui détermine le risque d'effondrement potentiel susceptible de se produire en surface. Le problème le plus délicat se pose évidemment en terme de gestion du bâti existant, notamment lorsque ce dernier est situé dans des zones présentant des dangers importants vis-à-vis de la sécurité des biens et des personnes. Lorsque aucunes mesures de confortement des terrains (Collet et al, 2004) ne s'avèrent pertinentes d'un point de vue technico-économique (volume de vide très élevé, travaux profonds, difficilement accessibles ou dangereux...) et qu'il n'est pas possible de conforter ou de déplacer les infrastructures de surface, le recours à la surveillance instrumentée peut constituer l'ultime recours. La carrière de Gypse de Grozon (Jura) exploitée par la société Placoplatre a retenu l'intérêt autant pour des raisons géographiques que pour les études informatives et d'analyses qui y ont été réalisées par l'INERIS (Didier et al, 1999). Ces travaux ont permis d'identifier d'une part, le risque de ruine des piliers et intercalaires et d'autre part, l'éboulement au carrefour de galeries pouvant se développer en entonnoir de fontis dans les zones de faible recouvrement. Deux réseaux sismiques ont donc été installés afin de surveiller et caractériser l'extension spatiale et temporelle de ces phénomènes dynamiques