Nonlinear mechanical and poromechanical analyses : comparison with analytical solutions

International audienceThe validation of computational schemes for modelling multiphysic phenomena in porous geomaterials is a key importance in geoenvironmental applications. This paper focuses on the vadiation of nonlinear and coupled hydromechanical schemes by comparing the results of numerical predictions performed with COMSOL and the mathematical solutions. Firstly, we simulate the nonlinear mechanical behaviour of rock mass around a deep cylindrical hole. The second example treats on the simulation of the well-known one-dimensional consolidation of a column of saturated porous rock. Finally a validation of poroelastic calculations based on the drainage of a cylindrical hole in porous media is achieved by comparison to an existing analytical solution

Collapse/subsidence : role and influence of overburden in Lorraine iron mines case

International audienceThis paper presents several large-scale numerical modellings of valley and tray situations with the presence or not of vertical fractures. Through these modellings, we firstly attempt to evaluate an influence zone, in terms of stress variations induced by the creation of the valley. Next we study more particularly the behaviour of a stiff overburden, according to situations, with the aim to estimate if a valley and/or the presence of subvertical fractures influence the overburden massivity.Ce papier présente plusieurs modélisations à grande échelle d'une situation de vallée et de plateau en présence ou non d'une fracturation verticale. A travers ces modélisations, nous tentons d'évaluer une zone d'influence, en termes de variations de contraintes induites par la création de la vallée. Puis nous étudions plus particulièrement le comportement d'une couverture raide, en fonction des situations, dans l'objectif d'estimer si une vallée et/ou une fracturation subverticale influencent la massivité du recouvremen

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

Induced seismicity monitoring of an underground salt cavity under a transient pressure experiment

International audienceWithin the framework of a research project launched to assess the feasibility of seismic monitoring of underground growing cavities, this specific work focus on the analysis of the induced microseismicity generated by a controlled pressure experiment recently carried out in a salt mine environment. A local seismic array has been installed over a stable underground cavity within a salt layer located in the Lorraine basin (north-east France). The array includes four 3D components and three 1D component geophones deployed at depths between 30 m to 125 m in cemented boreholes drilled in the vicinity of the study area. The underground cavity under monitoring is located within a salt layer at 180 m depth and it presents a rather irregular shape that can be approximated by a cylindrical volume of 50 m height and 180 m diameter. Presently, the cavity fully saturated with brine inducing a significant pressure on its walls (~2.5 MPa) to keep the overburden mechanically stable. Nevertheless some small microsesimic events were recorded by the array and analysed (~500 events in two years of recording). In October 2005, a controlled pressure transient experiment has been carried out in the cavity in order to analyse the mechanical response of the overburden by tracking the induced microseismicity. The recorded events are mainly grouped in clusters of 3 to 30 seconds of signal duration with non-emergent first arrivals and rather low frequency content (between 20 to 120 Hz). Some of these events have been spatially located by travel-time picking close to the actual cavity and its immediate roof. Preliminary spectral analysis suggests sources possibly related to resonant fluid-filled cracks, and/or cavitations due to the dynamic excitation of the brine-filled cavity. Rock-debris falling into the cavity from delamination of clayey marls in the immediate roof is possibly another source of seismic excitation. No clear evidence of classical brittle ruptures in the competent layers of the overburden has been observed up to now. Current work is focused on the discrimination of all these possible mechanisms to better understand the damage processes within the rock mass

A large scale continuum-discrete numerical modelling : application to overburden damage of a salt cavern

International audienceWith the objective to better understand the evolution of overburden damage on top of an underground solution mining, an in-situ experiment is undertaken above a salt cavity in the Lorraine region (NE of France). The overburden overlying the salt cavity is characterized by a competent layer where most brittle damage, with the associated microseismicity, is expected. This work presents a coupled continuum-discrete modelling approach to simulate the mechanics of fracture initiation and propagation in the rock mass, a continuum approach for the marls and salt layers, and a discrete micromechanical approach for the competent layer. A methodology of a large scale coupled continuum-discrete modelling is proposed and applied to the site of Cerville-Buissoncourt. The numerical verification of the hybrid approach response is achieved by comparing the results with those from the fully continuum model at the site scale when the competent layers behave elastically. The first results of a large scale modelling based on the hybrid approach suggest that the fracture mechanisms in the competent layers are predominantly tensile. Finally, these explicit microcracking simulations open interesting perspectives for comparison with the observed microseismicity of the study area (transient pressure experiment or future final collapse).Dans l'objectif de mieux comprendre la microsismicité induite dans des mines de sel, une expérimentation in situ a été réalisée sur une cavité saline de la région Lorraine (Nord-Est de France). Le recouvrement est caractérisé par la présence d'un banc raide dans lequel l'essentiel de l'activité microsismique est attendue lors de la reprise de l'exploitation. Ce papier présente une modélisation basée sur une approche couplée : continue (pour les marnes et le sel) et discrète (pour les bancs raides) pour évaluer les mécanismes de développement des fractures dans le recouvrement. Une méthodologie de modélisation à grande échelle couplant les approches continue et discrète a d'abord été proposée, puis appliquée au site de Cerville-Buissoncourt. La validation numérique de cette approche hybride est réalisée par comparaison avec la réponse d'un calcul continu à l'échelle du site. Les premiers résultats de cette modélisation hybride à grande échelle montrent que les mécanismes de fracturation prédominants dans les bancs raides restent les tractions. Ceci ouvre des perspectives intéressantes pour des confrontations avec les mesures qui seront enregistrées lors de l'effondrement provoqué (essai de pression, future effondrement après la reprise de l'exploitation)

Induced seismicity in a salt mine environment evaluated by a coupled continuum-discrete modelling

International audienceWith the objective to better understand the induced microseismicity in a salt mine environment due to an underground solution mining, an in situ experiment is undertaken by GISOS in the Lorraine salt basin. The overburden overlying the salt cavity is characterized by the presence of two competent layers where most microseismic events are expected. This paper presents a coupled continuum-discrete modelling to simulate the mechanics of fracture initiation and propagation in the rock mass overlying the cavity: discrete approach for the competent layers and continuum approach for marls, salt and other rocks and soils. For the competent layers, numerous calibrations of the model microparameters based on the laboratory results are firstly performed. The first coupled modelling results suggest that the mechanism of fracturing in the competent layers is predominantly tensile as it could be expected. The results also show that the microseismic events associated to the progressive damage in the competent layers through microcraks development can be modelled. This opens interesting perspectives to assess the feasibility of seismic monitoring of underground cavities by comparing, in the future, the numerical modelling results with the recorded seismicity of the study area.Dans l'objectif de mieux comprendre la microsismicité induite dans des mines de sel, une expérimentation in situ a été entreprise par le GISOS sur une cavité saline de la région Lorraine. Le recouvrement est caractérisé par la présence de deux bancs raides dans lesquels l'essentiel de l'activité microsismique est attendue lors de la reprise de l'exploitation. Ce papier présente une modélisation basée sur une approche couplée : continue (pour les marnes et le sel) et discrète (pour les bancs raides) pour évaluer les mécanismes de développement des fractures dans le recouvrement. De nombreuses calibrations des microparamètres du modèle discret à partir des paramètres macroscopiques ont été nécessaires. Les résultats de la modélisation montrent que le mécanisme de fracturation dans les bancs compétents résulte essentiellement d'efforts en traction. Les premiers résultats montrent aussi que les évènements microsismiques peuvent très bien être mesurés à travers la formation des microfissures. Ceci ouvre des perspectives intéressantes pour des confrontations avec les mesures qui seront enregistrées lors de l'effondrement provoqué

Hydromechanical response to a mine by test experiment in a deep claystone

International audienceIn order to demonstrate the feasibility of radioactive waste repository in deep geological formation, an underground research laboratory is being constructed by Andra (French national radioactive waste management agency) in eastern France, in a Callovo-Oxfordian claystone. 15 boreholes were drilled from a drift at -447 m to install sensors around the shaft (6 m diameter) at depth -460 m to -474 m in order to record the hydromechanical behaviour of the claystone during a shaft sinking (drill and blast method). This paper is devoted to the analysis of the mechanical and hydromechanical behaviour observed during the shaft sinking. Analytical approach used herein allows to realistically evaluate the undrained response of the shaft neighboring with agreement with the in situ measurements. For the transient phase, prediction is qualitatively in accordance with measurement. In addition, deformation and displacement measurements are successfully compared to a simple 3D elastic calculation performed with the real face advancing. This emphasizes the quality of the data set which would be compared in the Modex-Rep European project with complex numerical modelling (poro-elasto-plasic-damage models, creep behaviour,...).En France, l'Andra (Agence Nationale de gestion des déchets radioactifs) est en charge des études pour la faisabilité d'un stockage de déchet radioactif haute activité à vie longue, dans une formation géologique profonde comme des argiles. Pour cela, l'Andra a construit le laboratoire de recherche souterrain de Meuse Haute Marne dans le Nord-Est de la France (à 300 km environs de Paris) dans une formation d'argilite du Callovo-Oxfordien qui se trouve entre 420 m et 550 m au niveau du puits principal. La première expérimentation géomécanique réalisée dans le laboratoire est un " mine by test " autour du puits principal (diamètre 6 m). A partir d'une galerie se trouvant à -445 m, 15 forages ont été réalisés pour installer des capteurs et mesurer le comportement hydromécanique de l'argilite entre -460 et -470 m lors du creusement du puits principal. Les évolutions des mesures in situ sont présentées et comparées avec la solution analytique poro-élastique du creusement d'un puits infini. Les mesures de déplacement sont comparées avec les résultats d'un calcul élastique en 3D. Ces analyses simples montrent la cohérence et la qualité des différentes mesures in situ qui serviront de données de référence dans le projet Européen ModexRep, où le creusement du puits est simulé avec des modèles 3D complexes (poro-elasto-endo-plasticité, fluage,...)

Comportement hydromécanique des géomatériaux : applications aux ouvrages souterrains

Research presented here is justified by several problematics in relation to the geoenvironmental applications: post-mining with regard to the mechanical stability of the abandoned mines due to a progressive rise of ground water after the end of the dewatering process; the deep underground storage of hydrocarburs or radioactive wastes. The approach adopted in this research consists to jointly undertake an experimental study, a theoretical modeling of physical phenomena (conceptual and numerical developments) and in situ applications. On the basis of the laboratory tests and/or in situ experiments carried out on several geomaterials (iron ore, claystones and granite; rock joints of granite, schist and sandstone), several conceptual models and rheological laws were developed. These constitutive models were also implemented in numerical codes and applied to interpret specific in situ experiments and to perform retro-analyses with confrontations between measurements and predictions. The practical applications involve structures of deep underground radioactive waste repository (such as the underground laboratory of Meuse/Haute-Marne in France) and the mining works. The details of methodology and the applications carried out are widely discussed in Souley (2010). Three examples are illustrated here: (a) a new experimental device allowing to characterize the hydraulic exchanges between fracture and matrix in a double porosity environment, (b) the developments of a macroscopic viscoplastic model of argillites aimed to improve the viscoplastic strain prediction in the EDZ (Extent of Damaged Zone) around the LS/MHM drifts are proposed based on the in situ observations, (c) the modeling of REP experimentations (including the hydromechanical behaviour) at the underground laboratory of Meuse/Haute-Marne (LS/MHM).Après une période d’exploitation intense des mines, la France et d’autres pays européens sont confrontés aux problèmes posés par la fermeture et l’abandon de ces ouvrages, notamment leur stabilité mécanique sous l’effet d’une remontée progressive des eaux souterraines après l’arrêt des pompages d’exhaure. Par ailleurs, la gestion des ressources naturelles (eau, gaz et hydrocarbures), explique le grand intérêt pour la communauté scientifique d’étudier le comportement hydromécanique des massifs rocheux fracturés, composés d’une matrice (roche poreuse et microfissures) et de fractures souvent disposées en réseaux. Enfin, l’exigence de sécurité et de fiabilité des sites de stockage, notamment de déchets radioactifs a donné lieu, depuis plus d’une vingtaine d’années, à des études approfondies sur le compor tement thermohydromécanique de la roche hôte et des barrières ouvragées. Ce sont quelques exemples de problématiques géoenvironnementales, mettant en jeu les comportements mécanique, hydromécanique et thermohydromécanique (THM) complexes et illustrant la nécessité de mieux comprendre les phénomènes s’y rattachant. L’approche adoptée dans cette recherche consiste à mener de front un travail expérimental, un travail de modélisation théorique des phénomènes (développements conceptuel et numérique) et un travail d’applications aux structures sur site. Plus précisément, à l’issue des essais en laboratoire et/ ou d’observations in situ sur de nombreux matériaux (minerai de fer, argilites de l’Est et granite ; joints rocheux de granite, de schiste et de grès), plusieurs modèles conceptuels et lois de comportement ont été développés. Ces modèles constitutifs ont été implantés dans des codes de calculs, et des applications à des cas réels ont été réalisées aussi bien pour des interprétations d’essais ou d’expériences in situ spécifiques que pour des rétro-analyses et des confrontations avec les mesures. Les applications concernent les structures de stockage de déchets radioactifs (laboratoire souterrain de Meuse/ Haute-Marne et celui de Manitoba au Canada creusés entre 400 et 500 m de profondeur, la mine de Kamashi au Japon située à 1 000 m) et les ouvrages miniers (bassins houillers de Provence, bassins ferrifère et salifère lorrains). Cette méthodologie sera illustrée par trois exemples mettant en oeuvre l’expérience, la modélisation théorique et les applications

Avancées sur la caractérisation du comportement hydromécanique à court et long termes de la craie du bassin parisien

The risk of ground failures related to underground structures (natural or anthropogenic) involves over 10 000 towns in France. Accidents due to the collapse of underground chalk mines are among the most destructive, both humanly and materially. The main objective of this research is to study the effets of water-rock interactions on the mechanical behaviour of three chalks sampled from three underground abandoned mines situated in the Parisian Basin, in the framework of a multi-scale and multi-physics approach. Laboratory characterization was conducted to understand the short and long terms behavior of these two chalks depending on the relative humidity. Although this work was limited to the investigation of relative humidity levels ranging between 90% and 100% which are the most representative of the in situ conditions of abandoned underground openings. First, physical and mechanical characteristics of chalks and their interactions with water were carried out. The results obtained through short-term hydro-mechanical tests remain consistent with those found in previous published works. Second, the study of the long-term behaviour of each chalk was developed through uniaxial creep tests with controlled humidity and sample flooding. It was established that creep depends on the mineralogy / micro-structure and the couple (deviatoric stress, relative humidity) but not on the loading history. The mechanisms believed to be the origin of creep deformations are of a physico-mechanical nature and involve the breaking and the restoring of electrostatic bonds between grains. The interpretation of the tests carried out allowed to quantify the importance of the relative contributions of various parameters on the long-term behaviour. The longterm goal remains to power both the expertise and the computer calculations so that one can assess the impact of groundwater level variation on the long-term stability of chalk underground abandoned mines. Finally, a rheological model has been developed with good agreement with the experimental laboratory curves [2].Les retours d’expérience sur les études de stabilité menées dans des carrières souterraines de craie montrent que l’estimation du coefficient de sécurité butte bien souvent sur le choix des valeurs de résistance à retenir et sur les caractéristiques à prendre en compte pour reproduire le comportement de ce matériau en présence d’eau. En effet, l’extraction de la craie s’est généralement cantonnée aux seuls terrains situés au-dessus de la nappe phréatique mais la modification dans le temps des conditions hydrogéologiques (arrêt des pompages industriels, changement climatique, crues exceptionnelles) peut agir sur l’amplitude des battements de nappes et contribuer à saturer le massif encaissant, voire parfois à ennoyer les carrières. Trois sites, déjà instrumentés ou ayant fait l’objet d’une démarche en retour d’expérience, ont permis d’étudier ces paramètres pour des craies exploitées depuis plus de cent ans en carrière souterraine et soumises de manière récurrente à des ennoyages naturels ou accidentels