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

Auscultation et surveillance des perturbations hydromécaniques d'ouvrages souterrains par méthodes ultrasonores :

During the excavation of a gallery, whatever the excavation method is, the surrounding rock mass is mechanically disturbed. These distributions can lead to the instability of a part or all of the excavation. In addition, in case of a stock framework, these mechanical changes of the rock state can create preferential ways for the release of the stocked material end side the excavation (nuclear or chemical wastes gas, brine...) up to biosphere. The mechanical characterization of this disturbed zone is then essential to determine the rock capacity to constitute a geological impermeable rock barrier. A set of preliminary experiments has been done on samples of the clay from Bure (Meuse/Haute-Marne) in France where the samples are subject to uniaxial compressive stress and to triaxial compressive stress at 10 MPa confining pressure. During these experiments, some velocity measurements were made into several directions, acoustic emissions monitoring was also performed. The results show that the confining pressure has a strong influence on the P-wave velocity and the threshold of dilatancy. And according to the ray incidence with the lithology, there is a correlation between classical mechanical parameters of damage and P-wave. Therefore, the signal changes in clay are a good indicator of confining and damaging. Therefore, the stake is to determine the nature, the extension, and the change of this disturbed zone. The survey by ultrasonic waves analysis is particularly appropriate for these objectives because it allows us to get knowledge about the zone undisturbed by the boreholes. The main objective of this part is to describe a new in-site experiment (EDZ cut-off) that was realised in the Opalinus Clay in the Mont Terri Rock Laboratory in Switzerland. This experiment includes the use of the seismic imaging method for understanding the evolution of the excavation damaged zone before and after a slot excavation. The velocity before and after the reloading of the slot excavation and the survey during the slot excavation showed a decrease of the P-wave velocity, under the slot floor down to 0.2 m deeper. The reloading clearly improves the P-wave propagation along the sidewall and weakly decreases the same characteristic under the slot. During the all the phases of this thesis the wave attenuation and the number density of cracks were estimatedUne excavation souterraine induit une redistribution du champ de contrainte, une variation de pression des pores et en conséquence l'apparition d'une zone endommagée ou fracturée. L'étude de la zone endommagée (EDZ : Excavation Damaged Zone) est essentielle dans la problématique du stockage souterrain pour lequel il est nécessaire d'empêcher le passage préférentiel des matériaux stockés vers la biosphère. Plusieurs études ont été abordées lors de ces quinze dernières années afin d'étudier le comportement hydromécanique de la zone endommagée. Les méthodes d'auscultation et de surveillance du champ de vitesse des ondes sismiques, acoustiques ou ultrasoniques peuvent caractériser la zone endommagée aux échelles du laboratoire et in situ. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de l'étendue de la zone endommagée par l'étude des éléments d'un train d'ondes ultrasonores se propageant dans un milieu argileux à l'échelle centimétrique (laboratoire) et à l'échelle métrique (in situ). Des échantillons ont été prélevés au laboratoire souterrain de Meuse/Haute-Marne (France) à une profondeur de 472 m et soumis à un chargement triaxial et uniaxial. Ces éprouvettes ont été étudiées par méthodes ultrasonores. Ces traitements nous ont permis d'étudier les éléments caractérisant un train d'ondes suivant différentes directions en fonction de la contrainte appliquée. Les résultats montrent une chute de la vitesse et une augmentation de l'atténuation pour des rais se propageant perpendiculairement à la contrainte. Une expérimentation in situ du nom d'EDZ Cut-Off conduite par l'ANDRA dans une galerie du laboratoire souterrain du Mont Terri (Suisse). Elle consistait à caractériser la réponse des argilites à Opalinus lors du creusement d'une saignée dans le mur, perpendiculairement à la galerie et de son reconfinement par un système de vérins hydrauliques. Pour cela, une auscultation par tomographie ultrasonique a été mise en oeuvre pour caractériser l'endommagement dû au creusement de la galerie. Ensuite, un dispositif de surveillance du champ de vitesse a permis de suivre l'évolution de l'endommagement induit par la saignée pendant son creusement et pendant son reconfinement. La surveillance du champ de vitesse lors de l'excavation de la saignée a montré l'extension de la zone endommagée jusqu'à 0,2 m sous la base de la tranchée. La surveillance du champ de vitesse lors de la remise en pression a montré, qu'au parement de la saignée, l'évolution de la vitesse de la propagation des ondes est bien corrélée avec les niveaux de pression. La densité de fissuration durant les trois phases de l'expérimentation a été estimée dans le cadre de cette thès

Auscultation et surveillance des perturbations hydromécaniques d'ouvrages souterrains par méthodes ultrasonores

Une excavation souterraine induit une redistribution du champ de contrainte, une variation de pression des pores et en conséquence l'apparition d'une zone endommagée ou fracturée. L'étude de la zone endommagée (EDZ : Excavation Damaged Zone) est essentielle dans la problématique du stockage souterrain pour lequel il est nécessaire d'empêcher le passage préférentiel des matériaux stockés vers la biosphère. Plusieurs études ont été abordées lors de ces quinze dernières années afin d'étudier le comportement hydromécanique de la zone endommagée. Les méthodes d'auscultation et de surveillance du champ de vitesse des ondes sismiques, acoustiques ou ultrasoniques peuvent caractériser la zone endommagée aux échelles du laboratoire et in situ. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de l'étendue de la zone endommagée par l'étude des éléments d'un train d'ondes ultrasonores se propageant dans un milieu argileux à l'échelle centimétrique (laboratoire) et à l'échelle métrique (in situ). Des échantillons ont été prélevés au laboratoire souterrain de Meuse/Haute-Marne (France) à une profondeur de 472 m et soumis à un chargement triaxial et uniaxial. Ces éprouvettes ont été étudiées par méthodes ultrasonores. Ces traitements nous ont permis d'étudier les éléments caractérisant un train d'ondes suivant différentes directions en fonction de la contrainte appliquée. Les résultats montrent une chute de la vitesse et une augmentation de l'atténuation pour des rais se propageant perpendiculairement à la contrainte. Une expérimentation in situ du nom d'EDZ Cut-Off conduite par l'ANDRA dans une galerie du laboratoire souterrain du Mont Terri (Suisse). Elle consistait à caractériser la réponse des argilites à Opalinus lors du creusement d'une saignée dans le mur, perpendiculairement à la galerie et de son reconfinement par un système de vérins hydrauliques. Pour cela, une auscultation par tomographie ultrasonique a été mise en œuvre pour caractériser l'endommagement dû au creusement de la galerie. Ensuite, un dispositif de surveillance du champ de vitesse a permis de suivre l'évolution de l'endommagement induit par la saignée pendant son creusement et pendant son reconfinement. La surveillance du champ de vitesse lors de l'excavation de la saignée a montré l'extension de la zone endommagée jusqu'à 0,2 m sous la base de la tranchée. La surveillance du champ de vitesse lors de la remise en pression a montré, qu'au parement de la saignée, l'évolution de la vitesse de la propagation des ondes est bien corrélée avec les niveaux de pression. La densité de fissuration durant les trois phases de l'expérimentation a été estimée dans le cadre de cette thèseDuring the excavation of a gallery, whatever the excavation method is, the surrounding rock mass is mechanically disturbed. These distributions can lead to the instability of a part or all of the excavation. In addition, in case of a stock framework, these mechanical changes of the rock state can create preferential ways for the release of the stocked material end side the excavation (nuclear or chemical wastes gas, brine...) up to biosphere. The mechanical characterization of this disturbed zone is then essential to determine the rock capacity to constitute a geological impermeable rock barrier. A set of preliminary experiments has been done on samples of the clay from Bure (Meuse/Haute-Marne) in France where the samples are subject to uniaxial compressive stress and to triaxial compressive stress at 10 MPa confining pressure. During these experiments, some velocity measurements were made into several directions, acoustic emissions monitoring was also performed. The results show that the confining pressure has a strong influence on the P-wave velocity and the threshold of dilatancy. And according to the ray incidence with the lithology, there is a correlation between classical mechanical parameters of damage and P-wave. Therefore, the signal changes in clay are a good indicator of confining and damaging. Therefore, the stake is to determine the nature, the extension, and the change of this disturbed zone. The survey by ultrasonic waves analysis is particularly appropriate for these objectives because it allows us to get knowledge about the zone undisturbed by the boreholes. The main objective of this part is to describe a new in-site experiment (EDZ cut-off) that was realised in the Opalinus Clay in the Mont Terri Rock Laboratory in Switzerland. This experiment includes the use of the seismic imaging method for understanding the evolution of the excavation damaged zone before and after a slot excavation. The velocity before and after the reloading of the slot excavation and the survey during the slot excavation showed a decrease of the P-wave velocity, under the slot floor down to 0.2 m deeper. The reloading clearly improves the P-wave propagation along the sidewall and weakly decreases the same characteristic under the slot. During the all the phases of this thesis the wave attenuation and the number density of cracks were estimatedNANCY/VANDOEUVRE-INPL (545472102) / SudocSudocFranceF

Caractérisation numérique et expérimentale de l’endommagement durant l’excavation d’une saignée et son reconfinement

The existence of an excavation damaged zone (EDZ) around a storage gallery may reduce the efficiency of the storage to confine radionuclides. Andra (French National Radioactive Waste Management Agency) is developing a new concept for storage sealing, based on the excavation of radial slots in the EDZ. Those slots have a low thickness and are filled with bentonite swelling bricks. Numerical and experimental approaches have highlighted the effect of the slot as a hydraulic barrier. The experimental results confirm the mechanical phenomenon and deformation level described by the numerical modelling. Therefore, the numerical modelling is suitable for reproducing and predicting the mechanical behaviour of the excavation and the rock mass. Moreover, ultrasonic velocity surveys of the vicinity are able to monitor precisely rock mass perturbations. These results have contributed to validating the slot barrier concept developed by Andra.L’existence d’une zone fracturée et/ou endommagée autour des ouvrages souterrains d’un stockage profond peut affecter l’aptitude de la formation géologique hôte à confiner des radionucléides. Dans ce cas, elle est dénommée EDZ (de l’anglais Excavation Damaged Zone). Afin de renforcer l’efficacité du scellement des ouvrages d’un stockage vis-à-vis d’un court-circuit hydraulique empruntant la zone fracturée et/ou endommagée, la solution étudiée par l’Andra dans ses concepts de stockage est d’interrompre, autant que possible, l’EDZ au droit des scellements. Cette solution consiste à pratiquer des saignées radiales de faible épaisseur (typiquement inférieure à 50 cm) recoupant la part de zone fracturée plus transmissive et à les remplir de briquettes d’argile gonflante. Pour comprendre et maîtriser le fonctionnement de ces saignées, une expérimentation a été réalisée au laboratoire souterrain de Mont-Terri (Suisse). L’INERIS a réalisé deux études spécifiquesen collaboration avec l’Andra : - la modélisation numérique bi et tridimensionnelle des champs de contrainte et d’endommagement ; - la surveillance et l’imagerie ultrasoniques de la zone encaissante de la saignée

Velocity-survey of an excavation damaged zone : influence of the excavation and reloading

During gallery excavation, regardless of the method chosen, the surrounding rock is mechanically disturbed in the case of a an underground disposal (for ultimate chemical wastes or for radioactive wastes), such mechanical changes to the rock state can create preferential pathways for releasing material from the waste inside the excavation (e.g. chemical waste gases, brine or dissolved radionuclide) up to the biosphere. The mechanical characterization of this disturbed zone is thus essential to assessing the rock capacity necessary for constituting an impermeable geological rock barrier. The key to this effort lies in determining the nature, extent and change to this disturbed zone. The survey by means of ultrasonic wave analysis is particularly appropriate for these purposes since it provides information on the zone left undisturbed by the boreholes. The main objective behind this paper is to describe a recent in situ experiment (called EZ-A) conducted in Opalinus clay at the Mont Terri Rock Laboratory in Switzerland (Bossart et al., 2002). This in situ experimental campaign successfully studied the possibility of improving the properties of rocks forming the EDZ (Excavation Damaged Zone). The experiments consisted of three stages: the first entailed locating the EDZ from the existence of gallery EZ-A at the Mont Terri laboratory; the second traced evolution of the EDZ arising from a 20-cm thick and 150-cm deep slot excavation at the EZ-A gallery floor; and the third stage focused on P-wave velocity evolution surrounding the slot during a pressure loading performed at the slot walls, which serves to characterize EDZ evolution in the slot. These three stages were carried out by applying the seismic technique of tomography and then recording wave propagations during the excavation and reloading stages. The velocity before and after slot excavation reloading, along with the survey during slot excavation, showed a decrease in P-wave velocity underneath the slot floor down to a 0.2 m depth. Reloading clearly improves P-wave propagation along the sidewall and slightly decreases these same characteristics under the slot