Influence de l'endommagement de la roche sur l'interprétation des mesures de contraintes in situ à l'aide de la cellule triaxiale du CSIR

L'état de contraintes d'un massif rocheux est un paramètre important dans la conception des excavations souterraines. Lorsqu'il est nécessaire de connaître avec une certaine précision l'état de contraintes, des mesures in situ doivent être effectuées. Plusieurs techniques sont disponibles et chacune d'entre elles comporte son lot d'avantages et d'inconvénients. Parmi les techniques les plus utilisées au Canada, nous retrouvons celles faisant appel aux cellules dites triaxiales qui permettent à partir d'une seule mesure, la détermination du tenseur de contrainte 3D en un point. Les cellules triaxiales de Leeman (aussi connues sous le nom de cellule triaxiale du CSIR), les inclusions creuses du CSIRO-HI (cellule australienne) ou la cellule du Swedish State Power Board (SSPB) font partie de la catégorie d'instruments dont il est question dans ce mémoire et ont en commun la mesure de déformations récupérées à la paroi d'un trou pilote lorsque les contraintes autour de celui-ci sont relâchées par surcarottage. Pour fins de concision, il ne sera fait mention que de la cellule triaxiale du CSIR dans ce document. L'objectif de la présente recherche est d'évaluer l'influence de l'endommagement de la roche sur l'interprétation des mesures de contraintes à l'aide de la cellule triaxiale du CSIR. Le modèle d'interprétation qui permet de relier les déformations lues à la paroi du trou de forage aux contraintes in situ préalables est basé sur certaines hypothèses, dont celle que le massif se comporte de façon linéaire élastique. Il a été observé dans le passé que dans le cas où les contraintes en jeu sont très élevées par rapport à la résistance de la roche, le relâchement de ces dernières peut causer un endommagement à la roche (apparition de microfissures, séparation physique de la carotte en disques). Cet endommagement vient donc rendre caduque l'hypothèse de comportement linéaire élastique.

Abstract

The state of stress of roc masses is a very important parameter in the design of underground excavations. When the stress state must be known with a good certainty, measurements have to be performed in situ. Various techniques are available for that purpose and each has its advantages and disadvantages. In Canada, one of the most commonly used techniques is the triaxial strain cell. With this cell, the 3D stress tensor can be calculated from a single measurement. The Leeman triaxial cell (also known as the CSIR triaxial cell), the CSIRO-HI Cell (Australian cell) and the Swedish State Power Board cell (SSPB) have in common their ability to measure strain changes on the wall of a pilot borehole caused by locally relieving the stresses by overcoring. For the sake of simplicity, only the CSIR triaxial cell will be mentioned in this study although the conclusions drawn may be applied to the other types of triaxial cells mentioned. The objective of this study is to evaluate the influence of rock damage on the interpretation of a stress measurement using the CSIR triaxial cells. The interpretation model linking the strains measured at the borehole wall to the in-situ state of stress is based on various hypotheses. One of these is that the rock behaves as has a linearly elastic body. It has been observed in the past that when the in situ stress state is high compared to the rock strength, the stress relief can induce damage to the rock (micro-crack, core disking). This damage affects the validity of the linear elastic behaviour assumption. To evaluate the influence of the rock damage on the recovered strains and the calculated stresses, a numerical model using the finite difference software FLAC3D was used. The model simulates the complete stress measurement process using the triaxial CSIR cell. The analyses are run for different boundary stresses and for elastic and elasto-plastic materials for comparison purposes. The elasto-plastic model uses a strain softening constitutive law that allows the strength parameters of the rock to evolve with plastic strain accumulation.