Failure modelling of underground works under high field stress

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, 2021.Neste trabalho, uma nova abordagem numérica baseada no Método dos Elementos Finitos com esquema de cálculo implícito, denominada Continuum Voronoi Block Model-CVBM, é proposta para representar o processo de fraturamento em rochas duras e também a ruptura de obras subterrâneas com elevadas tensões de campo. Nesse modelo, desenvolvido com o programa RS2, o meio rochoso é simulado por meio de um conjunto de blocos, formados por um mosaico Voronoi, unidos em suas interfaces por elementos de junta. Para confirmação da ferramenta, representou-se numericamente diferentes estudos de caso em escala de laboratório (granito Lac du Bonnet rosa e granito de Creighton) e de campo (túnel Mine-By e pilar de Creighton). Na escala laboratorial, o modelo provou ser robusto e descreveu relevantes macropropriedades da rocha em ensaios convencionais: tensão de iniciação de início de fratura, tensão de dano de fratura, resistência à compressão simples e triaxial, resistência à tração, Módulo de Young e coeficiente de Poisson. O modelo calibrado para laboratório serviu como base para um estudo de sensibilidade que analisou como as propriedades influenciam as respostas macroscópicas, gerando assim uma metodologia de calibração para os ensaios brasileiro e de compressão simples. Em escala de campo, o modelo foi capaz de representar de forma explícita o processo de deterioração do maciço, capturou a geometria de ruptura e os deslocamentos de convergência das escavações. Os estudos de casos reais embasaram o uso do CVBM para estudos paramétricos que buscaram avaliar a influência das famílias de descontinuidades no comportamento de obras subterrâneas profundas. Verificou-se que a presença de descontinuidades tende a promover um alívio de tensões devido ao cisalhamento entre elas. Consequentemente, a presença de descontinuidades no maciço com elevadas tensões in situ tende a favorecer integridade do maciço. Tais resultados evidenciam a potencialidade do CVBM e endossam seu uso para modelagem do comportamento de obras subterrâneas com elevadas tensões de campo.In this work, a new numerical approach based on the Finite Element Method and an implicit continuum formulation, called Continuum Voronoi Block Model-CVBM, is proposed to represent the fracturing process in hard rocks and also the rupture of underground works with high field stresses. In this model, developed with the RS2 program, the rock mass was simulated by a set of blocks, formed by a Voronoi mosaic, joined at their interfaces by joint elements. Different case studies were represented on a laboratory (Lac du Bonnet pink granite and Creighton granite) and field scale (Mine-By tunnel and Creighton pillar). The model proved to be robust on the laboratory scale and described the rock's relevant macro-properties in conventional tests: crack initiation stress, crack damage stress, simple and triaxial compression strength, tensile strength, Young's modulus and Poisson's ratio. The calibrated laboratory model served as the basis for a sensitivity study that analyzed how micro-properties influence macroscopic responses, thus generating a calibration methodology for Brazilian and UCS tests. On a field scale, the model represented the mass deterioration process explicitly, captured the rupture geometry, and the excavations' convergence displacements. The real case studies supported the use of CVBM for parametric studies that sought to assess the influence of discontinuity families on deep underground works' behaviour. It was found that the presence of discontinuities tends to promote stress relief due to shear. Consequently, discontinuities in the mass with high in situ stresses tend to favour excavation stability. Such results show the CVBM's potential for modelling the behaviour of underground works with high field stress