Determinazione dello stato di sforzo in situ a partire da dati di scavo di pozzo

Knowledge of in-situ stress is essential for engineering applications that involve excavation in rocks. The stress state is influenced by topography, tectonic forces, rock behaviour and local geological history. This Thesis presents a methodology to estimate the in situ stress field in rock mass exploiting the information retrieved at the well scale. Every underground excavation modifies the existing state of stress in a rock mass; for example, the stress distribution around circular boreholes in an elastic, linear and isotropic continuum is described by well-known analytical solutions provided in the literature. Depending on the magnitude and the anisotropy of the in situ stress field, the stress state around a borehole could induce failure of the material. Information about the presence of drilling induced shear and tensile fractures in circular wellbores thus allows to estimate the range of variability of the in situ stress, combining stress redistribution solutions with rock failure criteria. If present, information about the size of the damaged zone can lead to a further reduction in this variability. The Thesis presents a simplified analytical approach to estimate the in situ stress state in rock formations, combining information retrieved at both the tectonic and the wellbore scale. The predictions obtained by the simplified analytical approach are then compared with some finite element simulations of the excavation and failure of a vertical borehole within a rock formation, by using an advanced brittle damage constitutive model. The proposed procedure is finally validated against experimental data from deep boreholes available in the literature.

La conoscenza dello stato di sforzo nel sottosuolo è fondamentale per le applicazioni ingegneristiche che comportano scavi in roccia. Gli sforzi sono influenzati dalla topografia, dalle forze tettoniche, dal comportamento della roccia e dalla storia geologica locale. Il presente lavoro propone una metodologia per la stima dello stato tensionale nel sottosuolo a partire da informazioni locali alla scala di pozzi perforati in formazioni rocciose. Ogni tipo di scavo in sotterraneo altera lo stato tensionale esistente negli ammassi rocciosi; ad esempio, la distribuzione di sforzi intorno a fori circolari in un continuo elastico, lineare e isotropo è descritta da soluzioni analitiche ben note in letteratura. L'entità di questa alterazione è funzione dello stato tensionale preesistente all'operazione di scavo (in situ). A seconda dell'entità e dell'anisotropia dello stato tensionale in situ, lo stato di sollecitazione vicino alle pareti del pozzo potrebbe giungere a violare il criterio di rottura del materiale. La presenza di rotture a taglio e a trazione sulle pareti di pozzi a sezione circolare, formatesi in seguito alle operazioni di perforazione, consente quindi di ottenere informazioni sulla variabilità degli sforzi in situ, combinando la ridistribuzione tensionale con opportuni criteri di resistenza adatti ai geomateriali. Nel caso si disponga anche di informazioni sull'ampiezza della zona giunta a rottura, la variabilità dello stato tensionale preesistente può essere ulteriormente ridotta. La Tesi propone un approccio analitico semplificato per la stima dello stato tensionale in formazioni rocciose, combinando informazioni di natura tettonica con informazioni locali alla scala del pozzo. Le valutazioni derivanti dall'approccio analitico vengono successivamente confrontate con i risultati numerici di analisi agli elementi finiti, ottenuti simulando lo scavo e il conseguente processo di rottura di un pozzo verticale in una formazione rocciosa, utilizzando un legame costitutivo avanzato di danno fragile. La metodologia proposta per la determinazione dello stato tensionale in situ è quindi applicata a casi reali riguardanti perforazioni in roccia disponibili in letteratura.