Comparative analysis on plastic zone in deep soft rock roadway surrounding rock considering rheology or not

Résumé technique : Analyse comparative de la zone plastique dans les voies de communication en roches tendres profondes, avec ou sans prise en compte de la rhéologie

Énoncé du problème
L'exploitation minière profonde en Chine rencontre fréquemment des voies de communication dans des formations de roches tendres qui présentent un comportement rhéologique (dépendant du temps) prononcé. Les analyses élastoplastiques traditionnelles des roches entourant les voies de communication reposent souvent sur la résistance à la compression de pic des échantillons de roche comme critère de rupture, négligeant ainsi les caractéristiques rhéologiques de la masse rocheuse. Cette approche conduit fréquemment à des résultats théoriques qui surestiment la résistance de la roche environnante et sous-estiment l'étendue de la déformation et de la zone plastique (de relâchement), entraînant des conceptions qui s'écartent de la réalité de l'ingénierie et compromettent la stabilité à long terme. Le problème central traité est l'écart entre les prédictions théoriques de la zone plastique et les observations réelles sur le terrain dans les voies de communication en roches tendres profondes, spécifiquement causé par l'omission des effets rhéologiques et la mauvaise identification de l'état de contrainte de pic dans la roche stabilisée environnante.

Méthodologie
L'étude utilise une approche multidimensionnelle combinant la surveillance sur le terrain, les essais en laboratoire, la dérivation théorique et la simulation numérique, centrée sur la voie de communication de la chambre de test du redresseur de charge à -848 m d'une mine.

1. Investigation sur le terrain : Le site d'étude a été choisi car la roche environnante avait atteint un état stable après une déformation initiale sévère. Des sections de surveillance ont mesuré les déplacements de surface (bombement de la voûte, convergence toit-sol, coins du sol) pour confirmer la stabilité. Des tests de vitesse d'onde ultrasonore ont été effectués pour déterminer la profondeur réelle de la zone de relâchement (zone plastique) sur le terrain, qui variait de 2,7 à 3,2 m au niveau des parois.
2. Essais en laboratoire : Des carottes de roche ont été testées pour déterminer les paramètres mécaniques.
   • Compression triaxiale : Des échantillons ont été testés sous des pressions de confinement de 0, 4, 8, 12 et 16 MPa afin d'obtenir des courbes contrainte-déformation complètes et des résistances de pic ($\sigma_{pk}$).
   • Essais de fluage : Des essais de fluage par paliers de charge ont été réalisés sous les mêmes pressions de confinement.
   • Détermination de la résistance à long terme : En utilisant la « théorie de la trajectoire de terminaison du fluage », l'intersection de la trajectoire de terminaison du fluage ajustée et de la courbe complète contrainte-déformation a été utilisée pour déterminer la résistance à long terme ($\sigma_{\infty}$) pour chaque pression de confinement.
3. Analyse théorique : Un modèle élastique-fragile-plastique a été établi. L'étude a dérivé des solutions analytiques pour le rayon de la zone plastique sous deux conditions :
   • Cas A (Considérant la rhéologie) : La contrainte de pic de la roche environnante ($\sigma_s$) a été définie comme la résistance à long terme ($\sigma_{\infty}$).
   • Cas B (Négligeant la rhéologie) : La contrainte de pic a été définie comme la résistance à la compression de pic ($\sigma_{pk}$).
     Des solutions ont été dérivées pour des conditions axisymétriques ($\lambda = 1$) et des champs de contraintes biaxiales inégaux ($\lambda = 0,86$) en utilisant la méthode de construction des contraintes.
4. Simulation numérique : Le logiciel de calcul par éléments finis ABAQUS a été utilisé pour simuler la voie de communication. Deux modèles ont été exécutés : l'un utilisant les paramètres de résistance à long terme (cohésion $c_0 = 5,58$ MPa) et l'autre utilisant les paramètres de résistance de pic (cohésion $c_0' = 11,26$ MPa).

Principales contributions

• Redéfinition du critère de contrainte de pic : L'article propose que pour les voies de communication en roches tendres profondes stabilisées, la contrainte de pic de la roche environnante doive être équivalente à la résistance à long terme de la roche sous une pression de confinement donnée, plutôt qu'à sa résistance à la compression de pic à court terme. Ceci est basé sur le postulat que si la contrainte dépasse la résistance à long terme, une déformation rhéologique instable se poursuivra jusqu'à ce que la contrainte chute à un niveau stable.
• Solutions analytiques : L'étude fournit des solutions analytiques élastoplastiques explicites pour le rayon de la zone plastique et la distribution des contraintes, en distinguant les scénarios où la rhéologie est prise en compte (en utilisant la résistance à long terme) et ceux où elle est ignorée (en utilisant la résistance de pic).
• Validation comparative : En intégrant les données de terrain, l'étude démontre quantitativement l'ampleur de l'erreur introduite par l'omission de la rhéologie.

Résultats

• Observations de terrain : La profondeur de la zone de relâchement mesurée aux parois de la voie de communication était de 2,7–3,2 m.
• Comparaison théorique :
  • Négligeant la rhéologie : En utilisant la résistance de pic, le rayon de la zone plastique calculé était d'environ 2,83 m (pour $\lambda=1$) et de 2,93–3,22 m (pour $\lambda=0,86$). La profondeur de la zone plastique résultante aux parois n'était que d'environ ~0,68 m, suggérant que la roche restait largement élastique. Cela sous-estimait considérablement la zone de relâchement réelle.
  • Considérant la rhéologie : En utilisant la résistance à long terme, le rayon de la zone plastique calculé était de 4,96 m ($\lambda=1$) et de 4,69–5,24 m ($\lambda=0,86$). La profondeur de la zone plastique résultante aux parois était de 2,42 m à 2,70 m, ce qui concordait étroitement avec la plage mesurée sur le terrain de 2,7–3,2 m.
• Simulation numérique : Les résultats de la simulation reflètent les conclusions théoriques. Ignorer la rhéologie a produit une petite zone plastique en forme de fer à cheval (~0,58 m de profondeur), tandis que la prise en compte de la rhéologie a produit une distribution elliptique avec une profondeur de ~2,12 m, bien plus proche de la réalité du terrain.
• Distribution des contraintes : Négliger la rhéologie entraînait une surestimation significative de la résistance de la roche environnante et une évaluation non conservatrice de la stabilité.

Signification et affirmations
L'article affirme que les caractéristiques rhéologiques de la masse rocheuse sont un facteur dominant de la déformation et de la distribution des contraintes des voies de communication en roches tendres profondes. La principale signification réside dans le fait que négliger la rhéologie conduit à une surestimation substantielle de la résistance de la roche environnante, entraînant des calculs de zone plastique qui s'écartent considérablement de la pratique de l'ingénierie et posent des risques de sécurité.

Les auteurs affirment que pour l'évaluation de la stabilité à long terme et la conception du soutènement des voies de communication en roches tendres profondes, les caractéristiques rhéologiques doivent être pleinement considérées. Plus précisément, la contrainte de pic dans les modèles théoriques doit être basée sur la résistance à long terme de la masse rocheuse plutôt que sur sa résistance instantanée de pic. Cette approche garantit que les analyses théoriques et les conceptions d'ingénierie sont cohérentes avec l'évolution réelle de la déformation et les conditions de stabilité observées sur le terrain. L'étude conclut que bien que les solutions analytiques exactes pour les pressions biaxiales inégales restent complexes, la méthode approximative proposée prenant en compte la rhéologie offre une base fiable et plus sûre pour les applications de l'ingénierie.