Analysis of underground excavations in argillaceous hard soils : weak rocks

Abstract

Materiales arcillosos rígidos, que se encuentran en la zona de transición entre suelos duros y rocas blandas, están siendo considerados actualmente en varios países como la roca huésped para el almacenamiento geológico profundo de residuos nucleares de alta actividad y larga vida. Esta posibilidad a derivado en la construcción de laboratorios de investigación subterráneos (LIS), excavados en estos materiales arcillosos rígidos, para estudiar su comportamiento bajo condiciones reales de trabajo. Entre los diferentes aspectos estudiados en los LIS, el comportamiento hidromecánico de la roca huésped es el más relevante para la presente investigación. Observaciones in situ han revelado que las excavaciones inducen daño alrededor de los túneles, en la forma de redes de fracturas, contenidas dentro de una zona llamada la zona de daño de la excavación (ZDE). La ZDE se ha identificado como una de las principales causas afectando el comportamiento de las excavaciones. En este contexto, el principal objetivo de la presente investigación es la simulación numérica del comportamiento hidromecánico de excavaciones experimentales llevadas a cabo en el LIS Meuse/Haute-Marne (Francia). Para lograrlo, se desarrolló un modelo constitutivo para caracterizar la roca huésped. El modelado de estos materiales es una tarea desafiante. Estos materiales exhiben características más propias de los suelos como considerables deformaciones plásticas, dependencia con la velocidad de carga, y creep, aunque también muestran características más típicas de las rocas como un considerable reblandecimiento y deformaciones plásticas localizadas. Además, debido a su origen sedimentario, también exhiben anisotropía en propiedades como su rigidez, resistencia, y permeabilidad. Se prestó especial atención a la reproducción de la ZDE y, por lo tanto, a la simulación objetiva de deformaciones localizadas; se empleó un enfoque no local para la regularización del continuo, el cual evita la dependencia con la malla empleada. Los resultados obtenidos proporcionan importantes conclusiones respecto al comportamiento hidromecánico de estos materiales arcillosos rígidos, e indican los principales aspectos que afectan la respuesta de las excavaciones subterráneas. En particular, se demuestra la importancia de la ZDE.

Stiff clayey materials, lying in the transition between hard soils and weak rocks, are being currently considered in several countries as possible host medium for deep geological disposal of high active and long-lived nuclear waste. This possibility has led to the construction of underground research laboratories (URL), excavated in these indurated clayey materials, to study their behaviour under real working conditions. Among the very different topics addressed in the URLs, the hydromechanical behaviour of the host rock is the one that most concerns the present research. In situ observations have revealed that excavation operations induce damage around the galleries, in the form of fracture networks, contained within a zone called excavation damaged zone (EDZ). The EDZ has been identified as one of the main aspects affecting the behaviour of the excavations. In this context, the main objective of the present study is the numerical simulation of the hydromechanical behaviour of experimental excavations performed at the Meuse/Haute-Marne URL (France). For this purpose, a constitutive model has been developed to characterise the host formation. The modelling of these stiff argillaceous materials is a quite challenging task. They exhibit soil-like features like considerable plastic strains, rate-dependency, and creep, although they also show characteristics more typical of a rock such as significant softening and localised deformations. In addition, due to their sedimentary origin, they often exhibit anisotropy in properties like stiffness, strength, and permeability. Special attention has been paid to the reproduction of the EDZ and, therefore, to the objective simulation of localised deformations; a nonlocal approach has been employed for the regularisation of the continuum, avoiding the dependence on the employed mesh. The obtained results provide relevant insights into the hydromechanical behaviour of these stiff clayey materials, and they indicate the main aspects affecting the response of the underground excavations. In particular, the relevance of the EDZ has been demonstrated.