Assessing heterogeneity of in situ stress for the design of nuclear waste repositories

ABSTRACT: An essential part of the investigations supporting the design of nuclear waste repositories are campaigns to determine the state of in situ stress, usually by application of measurement techniques such as hydraulic fracturing and borehole overcoring. Such measurements often display spatial variability, which is indicative of stress heterogeneity. Although the term "stress heterogeneity" is commonly found in the rock engineering literature on in situ stress, a consistent and universally agreed definition of it seems to be missing. Similarly, a formal means of characterising a stress field as either homogeneous or heterogeneous is also absent. In this paper we review concepts of stress homogeneity and heterogeneity as they have been presented in the literature. From this, and using exemplar stress fields together with concepts from multivariate statistics and cluster analysis, we propose new definitions of stress heterogeneity. We finally indicate how these considerations may usefully be applied to the design of nuclear waste repositories.

RÉSUMÉ: Les campagnes de mesure de l’état de contrainte in situ font partie des activités essentielles des programmes d’investigations menées pour la conception des sites de stockage de déchets nucléaires. Pour ces campagnes d'essais, les techniques de fracturation hydraulique et de surcarottage sont couramment utilisées. Toutefois, les résultats obtenus montrent souvent une variabilité spatiale, laquelle est une indication de l’hétérogénéité du champ de contrainte. Le terme «hétérogénéité des contraintes» est couramment employé dans les ouvrages de référence qui traitent des contraintes in situ. Toutefois, il ne semble pas exister de définition cohérente et universellement acceptée. De même, il n’existe pas de méthodes formelles pour caractériser un champ de contrainte et ainsi déterminer s’il est homogène ou hétérogène. Dans cet article, nous passons en revue les concepts d’homogénéité et d’hétérogénéité des contraintes tels que présentés dans la littérature. À partir de là, et avec des exemples de champs de contraintes ainsi que les concepts de statistiques multivariées et de partitionnement de données, nous proposons de nouvelles définitions de l’hétérogénéité des contraintes. Enfin, nous indiquons de quelle manière les concepts présentés peuvent être appliqués et utiles pour la conception des sites de stockage de déchets radioactifs.