Statistical quantification of earthquake effects on the excavation damage zone

RÉSUMÉ: Tout autour du monde, des entrepôts géologiques profonds sont en train d’être conçus pour la gestion des déchets radioactifs et des combustibles nucléaires usés pour une durée allant jusqu’à 1 million d’années. En effet, le milieu autour de ces réservoirs d’entreposage doit être structurellement stable, pour résister les effets des perturbations géologiques telles que les tremblements de terre. Des études précédentes ont évalué ces effets, montrant qu’il y a de changements mesurés dans les zones d’excavation affectées par des séismes à faible probabilité. Cependant, une étude quantitative considérant les événements géologiques extrêmes n'a pas encore été réalisée. Dans cette étude, on adresse cette question par un modèle bidimensionnel conçu en RS2, un logiciel d'éléments finis, développé par Rocscience. Ce modèle a été comparé avec un modèle précédent pour un entrepôt en zones sismiques. Le modèle proposé utilise un réseau de Voronoi pour décrire une formation rocheuse cristalline (roche hôte) autour du repositoire et a permis d’évaluer les dommages résultants de l’excavation durant la construction. La roche hôte aussi bien que le système de barrières de protection ont été soumis aux efforts de la glaciation et des tremblements de terre. Ce modèle a été ensuite utilisé pour développer une étude statistique basée sur une analyse ANOVA de variances pour quantifier les effets de tremblements de terre. L’analyse ANOVA avec un 0.05 seuil de signification, a examiné les efforts normaux, les efforts de cisaillement et les déplacements sur les « joints » de Voroni après des tremblements de terre, en utilisant des coefficients sismiques différents. Les coefficients du modèle ont été utilisés pour représenter l’accélération maximale du sol par rapport à l’accélération gravitationnelle. Ceci a été comparé au modèle sans évènement sismique et sans effort de glaciation. On montre que les efforts de la glaciation causent des dommages additionnels dans la zone d’excavation reliée au repositoire et ont des effets significatifs sur l’ensemble des efforts normaux. On établit que les coefficients sismiques n’ont pas d’effet statistiquement significatif sur les paramètres, malgré le fait que seulement l’état final, après les efforts sismiques, a été considéré. Dans l’avenir, on compte examiner la réponse aux efforts dynamiques pendant un tremblement de terre.

ABSTRACT: Deep geological repositories are being designed to manage spent nuclear fuel of past and future reactors for up to 1 million years across the world. The geosphere surrounding a repository should be structurally stable against geological perturbations, such as earthquakes. Previous studies have evaluated earthquake effects on the repository showing that, there is a measured change in excavation damage zone due to a low probability earthquake event. However, a quantitative study has yet to be performed considering extreme events. In this study, a two-dimensional model was developed in RS2, from Rocscience, a finite element package and compared to a previous repository seismic model. The model utilized a Voronoi joint network around the repository to represent a crystalline rock formation (host rock) and allow for excavation induced damage to evolve during construction. The host rock as well as the engineered barrier system were then subjected to glacial induced stress and earthquake loading. This model was then used to perform a statistical study using analysis of variance (ANOVA) to quantify the earthquake effects. The ANOVA analysis (significance level of 0.05) examined normal and shear stresses and displacements along the Voronoi joints after earthquake events of different seismic coefficients (model coefficients used to represent the peak ground acceleration as a fraction of the acceleration due to gravity), relative to the model with no earthquake events and no glacial loading. Glacial loading caused additional damage in the repository excavation damage zone and had statistically significant effect on joint normal stress. The seismic coefficients had no statistically significant effect on the joint parameters, although only the final state after the earthquake loading was investigated. Future research will examine the dynamic loading response during an earthquake.