ABSTRACT:

The numerical modelling of an experimental borehole drilled in a deep layer of marl in a mine in Eastern France is presented. The study used a non linear large strain finite element code with a new advanced model, CLoE model. One particularity of this model is that it incorporates a bifurcation criterion for strain localisation. The identification of CLoE parameters for a marl called « Marnes à Hydrobies » is presented. Then the Finite Element modelling of the experimental borehole is discussed. The borehole was one meter wide. It was drilled from a deep gallery at 508 m below the ground level. Several stages of increasing complexity are followed: homogeneous and horizontally isotropic far fields; perturbation induced by small boreholes drilled for instrumentation in the vicinity of the main borehole; anisotropic far field. In all these cases, the tendency to bifurcate into modes of localised deformation is studied.

RESUME:

Dans Ie cadre de l'etude d'un forage experimental dans une couche profonde de marnes dans les mines de l'est de la France, une modelisation numerique du forage a ete realisee en utilisant un code elements finis non lineaire en grandes deformations avec Ie modèle CLoE. La particularitè du modèle est d'incorporer un critère de bifurcation par localisation de la deformation. L'identification de CLoE pour la marne appellee « Marnes à Hydrobies » est presentee. Ensuite on decrit la modelisation numerique, Le forage a un mètre de diamètre. II a ete fore a partir d'une galerie situee à 508m. On etudie Ie problème en plusieurs phases de complexite croissante: contraintes horizontales initiales isotropes et homogènes; effet perturbateur de forages d'instrumentation dans Ie voisinage du forage principal; enfin champ lointain anisotrope. Dans tous les cas, la tendance à la bifurcation par localisation de la deformation en paroi est etudiee.

ZUSAMMENFASSUNG:

Die mathematische Modellierung eines Versuchsbohrloches in einer tiefen. Marnenschicht in einem Bergwerk in Ostfrankreich wird vorgestellt. Die Studio bedient sich einer nichtlinearen Finite-Elemente-Methode fuer grösse Verformungen mit einem fortschrittlichen Modell, dem CLoE Modell. Eine Besonderheit des Modells ist es, ein Bifurkationskriterium fuer die Lokalisierung der Verformungen einzusetzen. Die Identifikation von CLoE Parametern fuer eine sogenannte "Mantes à Hydrobies" wird gezeigt. Dann wird die Modellierung mittels finiter Elemente beschrieben. Das Bohrloch ist einen Meter breit. Es wurde von einer Galerie in 508 Metern Tiefe aus gebohrl. Das Problem wird in verschiedenen Schwierigkeitsstufen betrachtet: horizontal homogene und isotrope feme Felder. Störungen, die durch kleine, In der Nahe des Hauptbohrloches gebohrte. Löcher fuer die Instrumentation hervorgerufen werden; anisotropes femes Feld. In allen Fallen wird die Tendenz zur Bifurkation in lokalisierte Verformungsmoden untersucht.

1 INTRODUCTION

Stability conditions and failure mechanisms of deep boreholes are important issues in the context of drilling and mining science. As boreholes are drilled deep in a rock layer, for example for nuclear waste dIsposal, failure can occur due to the high stress at depth. Indeed, the deeper the hole, the higher the deviatoric stress concentration induced by the excavation. At failure, progressive fracturing and breakouts are generally observed, leading to a progressive deterioration of the wall. In 1976, bifurcation theory concepts was suggested by Rice as a framework for describing failure phenomena in rock [1]. In 1988, a bifurcation analysis of the borehole problem has been proposed by Vardoulakis et al [2]. Bifurcation analysis is a study of uniqueness of the solution of a boundary value problem (BVP).

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