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

Sintesi Tecnica: Analisi Comparativa sulla Zona Plastica in un Tunnel in Roccia Tenera Profonda Considerando o meno la Reologia

Definizione del Problema
L'estrazione mineraria profonda in Cina incontra frequentemente gallerie in formazioni di roccia tenera che esibiscono un marcato comportamento reologico (dipendente dal tempo). Le analisi elastoplastiche tradizionali della roccia circostante il tunnel si basano spesso sulla resistenza alla compressione di picco dei campioni di roccia come criterio di rottura, trascurando le caratteristiche reologiche della massa rocciosa. Questo approccio porta frequentemente a risultati teorici che sovrastimano la resistenza della roccia circostante e sottostimano l'entità della deformazione e della zona plastica (di saggio/allentamento), determinando progettazioni che divergono dalla realtà ingegneristica e compromettono la stabilità a lungo termine. Il problema centrale affrontato è la discrepanza tra le previsioni teoriche della zona plastica e le osservazioni reali sul campo nelle gallerie di roccia tenera profonda, causata specificamente dall'omissione degli effetti reologici e dalla errata identificazione dello stato di stress di picco nella roccia circostante stabilizzata.

Metodologia
Lo studio utilizza un approccio multifasettico che combina monitoraggio sul campo, test di laboratorio, derivazione teorica e simulazione numerica, centrato sulla camera rettificatrice di ricarica a -848 m di una miniera.

1. Indagine sul Campo: Il sito di studio è stato selezionato poiché la roccia circostante aveva raggiunto uno stato stabile dopo una severa deformazione iniziale. Le sezioni di monitoraggio hanno misurato gli spostamenti superficiali (rigonfiamento dell'arco, convergenza tetto-pavimento, angoli del pavimento) per confermare la stabilità. Sono stati eseguiti test di velocità delle onde ultrasoniche per determinare la profondità reale della zona di allentamento (zona plastica) sul campo, che variava da 2,7 a 3,2 m ai fianchi.
2. Test di Laboratorio: Sono stati testati carotaggi di roccia per determinare i parametri meccanici.
   • Compressione Triassiale: I campioni sono stati testati sotto pressioni di confinamento di 0, 4, 8, 12 e 16 MPa per ottenere curve sforzo-deformazione complete e resistenze di picco ($\sigma_{pk}$).
   • Test di Creep (Scorrimento Viscoso): Sono stati eseguiti test di creep con carico a gradini sotto le stesse pressioni di confinamento.
   • Determinazione della Resistenza a Lungo Termine: Utilizzando la "teoria della traiettoria di terminazione del creep", l'intersezione tra la traiettoria di terminazione del creep fittata e la curva completa sforzo-deformazione è stata utilizzata per determinare la resistenza a lungo termine ($\sigma_{\infty}$) per ogni pressione di confinamento.
3. Analisi Teorica: È stato stabilito un modello elastico-fragile-plastico. Lo studio ha derivato soluzioni analitiche per il raggio della zona plastica sotto due condizioni:
   • Caso A (Considerando la Reologia): Lo stress di picco della roccia circostante ($\sigma_s$) è stato definito come la resistenza a lungo termine ($\sigma_{\infty}$).
   • Caso B (Trascurando la Reologia): Lo stress di picco è stato definito come la resistenza alla compressione di picco ($\sigma_{pk}$).
   • Le soluzioni sono state derivate sia per condizioni assiali ($\lambda = 1$) che per campi di stress biassiali disuguali ($\lambda = 0,86$) utilizzando il metodo di costruzione dello stress.
4. Simulazione Numerica: Il software di analisi agli elementi finiti ABAQUS è stato utilizzato per simulare il tunnel. Sono stati eseguiti due modelli: uno utilizzando i parametri di resistenza a lungo termine (coesione $c_0 = 5,58$ MPa) e uno utilizzando i parametri di resistenza di picco (coesione $c_0' = 11,26$ MPa).

Contributi Chiave

• Ridefinizione del Criterio di Stress di Picco: Il documento propone che, per le gallerie in roccia tenera profonda stabilizzate, lo stress di picco della roccia circostante debba essere equiparato alla resistenza a lungo termine della roccia sotto una data pressione di confinamento, piuttosto che alla sua resistenza alla compressione di picco a breve termine. Ciò si basa sul presupposto che, se lo stress supera la resistenza a lungo termine, la deformazione reologica instabile continuerà finché lo stress non scenderà a un livello stabile.
• Soluzioni Analitiche: Lo studio fornisce soluzioni analitiche elastoplastiche esplicite per il raggio della zona plastica e la distribuzione dello stress, distinguendo tra scenari in cui la reologia è considerata (usando la resistenza a lungo termine) e in cui è trascurata (usando la resistenza di picco).
• Validazione Comparativa: Integrando i dati sul campo, lo studio dimostra quantitativamente l'entità dell'errore introdotto trascurando la reologia.

Risultati

• Osservazioni sul Campo: La profondità misurata della zona di allentamento ai fianchi del tunnel è stata di 2,7–3,2 m.
• Confronto Teorico:
  • Trascurando la Reologia: Utilizzando la resistenza di picco, il raggio della zona plastica calcolato era di circa 2,83 m (per $\lambda=1$) e 2,93–3,22 m (per $\lambda=0,86$). La profondità risultante della zona plastica ai fianchi era di soli ~0,68 m, suggerendo che la roccia rimanesse ampiamente elastica. Ciò ha sottostimato significativamente l'effettiva zona di allentamento.
  • Considerando la Reologia: Utilizzando la resistenza a lungo termine, il raggio della zona plastica calcolato era di 4,96 m ($\lambda=1$) e 4,69–5,24 m ($\lambda=0,86$). La profondità risultante della zona plastica ai fianchi era di 2,42 m a 2,70 m, il che si allineava strettamente con l'intervallo misurato sul campo di 2,7–3,2 m.
• Simulazione Numerica: I risultati della simulazione hanno rispecchiato i risultati teorici. Trascurando la reologia, è stata ottenuta una piccola zona plastica a forma di ferro di cavallo (~0,58 m di profondità), mentre considerando la reologia è stata prodotta una distribuzione ellittica con una profondità di ~2,12 m, molto più vicina alla realtà del campo.
• Distribuzione dello Stress: Trascurare la reologia ha portato a una significativa sovrastima della resistenza della roccia circostante e a una valutazione non conservativa della stabilità.

Significato e Rivendicazioni
Il documento afferma che le caratteristiche reologiche della massa rocciosa sono un fattore dominante nella deformazione e nella distribuzione dello stress nelle gallerie in roccia tenera profonda. Il significato primario risiede nel fatto che trascurare la reologia porta a una sostanziale sovrastima della resistenza della roccia circostante, risultando in calcoli della zona plastica che divergono significativamente dalla pratica ingegneristica e pongono rischi per la sicurezza.

Gli autori sostengono che, per la valutazione della stabilità a lungo termine e la progettazione del supporto delle gallerie in roccia tenera profonda, le caratteristiche reologiche devono essere pienamente considerate. Nello specifico, lo stress di picco nei modelli teorici deve basarsi sulla resistenza a lungo termine della massa rocciosa piuttosto che sulla sua resistenza istantanea di picco. Questo approccio garantisce che le analisi teoriche e le progettazioni ingegneristiche siano coerenti con l'effettiva evoluzione della deformazione e le condizioni di stabilità osservate sul campo. Lo studio conclude che, sebbene le soluzioni analitiche esatte per la pressione biassiale disuguale rimangano complesse, il metodo approssimativo proposto, che considera la reologia, fornisce una base affidabile e più sicura per le applicazioni ingegneristiche.