Estimation and Validation of Post-Peak Behavior of Hard Rocks

Travailler en profondeur sous terre peut générer des situations dangereuses. Des précautions particulières doivent être prises lors de la phase de conception et d'exploitation. La rupture fragile du massif rocheux (coup de terrain) est l'un des instabilités qui peut se produire dans les roches dures ayant une faible porosité à cause de la concentration de contrainte élevée. Il est important de prévoir le comportement du massif rocheux lié à la phase post-pic lors de ruptures. La compréhension du comportement post-pic et le comportement en cisaillement d'un plan de rupture induite sous une condition de limite de chargement particulier est cruciale pour réduire les risques. Jusqu'ici, de nombreuses recherches ont été menées sur la surveillance sismique des excavations souterraines en situation potentielle de coups de terrain. Par ailleurs, quelques méthodes de prévision des coups de terrain ont été proposées basée sur les mathématiques logiques. La solution analytique est également l'une des approches fiables basées sur les travaux expérimentaux dans lesquels les propriétés mécaniques de la roche intacte et des fractures sont prises en compte. L'objectif principal de cette thèse est de prédire la courbe post-pic de roches dures en utilisant des essais de compression triaxiale et de cisaillement direct et la caractérisation des fractures en utilisant le modèle CSDS (Simon, 1999) et l'approche proposée par Simon et al. (2003). Les résultats de la caractérisation de la surface de rupture montrent que comment les différents modes de chargement affectent les paramètres de rugosité des fractures. Les résultats indiquent également la variation de la rugosité de la surface de rupture avec la contrainte de confinement appliquée. La rugosité sur chaque surface de rupture indique la variation de la rugosité dans les échantillons en fonction de la distribution des contraintes La variation de la rugosité de la surface de rupture à la traction induite par l'essai Brésilien dévoile un effet combiné de la direction de chargement, la taille du grain, et le rapport L/D sur la valeur de la rugosité. Il est démontré que les profils de rugosité parallèles et perpendiculaires à la direction de chargement ont une variation de la rugosité distincte. Une nouvelle méthode de chargement appelée « chargement en dommage-contrôlé cyclique » proposée permet d'obtenir la courbe post-pic des roches dures, en utilisant une procédure spécifique. Les courbes complètes de contrainte-déformation de deux roches dures ont été obtenues par cette méthode Les résultats montrent que l'énergie élastique accumulée dans les échantillons en utilisant cette nouvelle procédure est moindre et comment la procédure influe sur la configuration de fracturation. Une approche existante basée sur le modèle constitutif CSDS pour les joints de roche a également été vérifiée afin d'estimer le comportement post-pic de roches dures. Il est démontré que cette approche est capable d'estimer les propriétés du modèle requis en utilisant les essais de compression triaxiale et de cisaillement direct et la caractérisation de la surface de rupture

Abstract

Working in deep underground opening is often accompanied by hazardous situations. Special care must be taken in the design and operation phase. Brittle fracturing of the rock mass (rockburst) is one of instabilities that occurs in hard rocks with low porosity due to high stress concentration. It is important to predict the rockburst behaviour that corresponds to the post-peak phase. Understanding of the post-peak behaviour and the shear behaviour of an induced failure plane under a particular loading boundary condition is a critical issue in order to prevent risks. To date, many researches have been conducted on the seismic monitoring of deep underground openings. Also, a few rockburst prediction methods have been proposed based on logical mathematics. Analytical solution is also one of the reliable approaches based on the experimental works in which the mechanical properties of both intact rock and fracture surface are taken into account. The main objective of this thesis was to predict the post-peak curve of hard rocks using triaxial and direct shear tests and rock surface characterization by using the CSDS model (Simon, 1999) and the proposed approach by Simon et al. (2003). The results of fracture surface characterization show how different loading modes affect the roughness parameters of the fractures. The results also indicate the variation of the fracture roughness with the applied confining stress. The roughness on each fracture surface indicates the roughness variation in the samples due to the stress distribution. Roughness variation of the tensile fractures induced by Brazilian tests reveals a combined effect of the loading direction, grain size, and the L/D ratio on the roughness value. It is shown that the roughness profiles parallel and perpendicular to the loading direction have a unique roughness variation. A new proposed damage-controlled cyclic method is used to obtain the post-peak curve of hard rocks using a specific procedure. The complete stress-strain curves of two hard rocks were obtained by this method. The results show that the elastic energy accumulated in the specimens using this new procedure is lower and that the procedure influences the fracturing pattern. An existing approach based on the CSDS constitutive model for rock joints was also verified in order to estimate the post-peak behaviour of hard rocks. It is shown that this approach is able to estimate the required model properties using triaxial compression and direct shear tests and the surface characterization.