Modélisation multi-échelle du comportement hydro-méchanique des roches argileuses

par Bram Van Den Eijnden

Thèse de doctorat en Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie

Sous la direction de Pierre Bésuelle, Frédéric Collin et de René Chambon.

Le président du jury était Djimédo Kondo.

Le jury était composé de Pierre Bésuelle, Frédéric Collin, René Chambon, Darius Seyedi.

Les rapporteurs étaient Thierry Massart, Claudio Tamagnini.


  • Résumé

    Les études de faisabilité concernant le stockage géologique profond des déchets radioactifs ont conduit un intérêt accru concernant la modélisation géomécanique de la roche hte. En France, une roche hte potentielle est l'argilite du Callovo-Oxfordien du site de Meuse/Haute Marne. Etant donné que le principe de stockage géologique profond repose fortement sur la capacité de confinement de la formation hte, sa faible perméabilité est d'une importance clé. La perméabilité étant dépendante de la microstructure du matériau et de son évolution sous chargement, le comportement couplé hydro-mécanique de l'argilite est important. En effet, des modifications mécaniques sont induites par le creusement de la galerie d'entreposage, générant une zone endommagée (EDZ), pouvant conduire une modification de la perméabilité dans le voisinage de la galerie. Dans les matériaux microstructure complexe comme l'argilite du Callovo-Oxfordien, le comportement macroscopique trouve son origine dans l'interaction des constituants micro-mécaniques. En plus du couplage entre le comportement hydraulique et mécanique, un couplage entre les échelles micro et macro existe. Par le biais de l'élaboration d'un cadre d'homogénéisation du couplage hydro-mécanique, une approche de modélisation deuxéchelles est développée dans ce travail, dans laquelle la relation constitutive macroscopique découle directement du comportement à l'échelle microscopique. Un modèle existant du couplage hydro-mécanique, reposant sur l'identification de grains et d'espaces poreux intergranulaires à l'échelle micro est adopté comme point de départ. Ce modèle repose sur une homogénéisation numérique du comportement à la petite échelle afin d'obtenir à l'échelle macroscopique la réponse en contrainte et de transport du fluide interstitiel. Ce modèle est basé sur un VER périodique qui permet de déduire le comportement macroscopique local de l'argilite. En réponse, en un point d'intégration macro donné, à un incrément de la déformation et du gradient de pression, la réponse du VER permet d'exprimer l'incrément de contrainte et de flux associé, constituant de fait un équivalent numérique de la relation constitutive. Les problèmes aux conditions limites macro et micro sont traités simultanément par la méthode élément fini. Pour obtenir les opérateurs tangents consistants à l'échelle macro, la méthode d'homogénéisation par condensation statique des opérateurs tangeants micro est étendu au cas avec couplage hydro-mécanique. L'implémentation du modèle double échelle et la mise en uvre des développements théoriques d'homogénéisation ont été effectués dans le code élément fini Lagamine (Université de Liège). Pour la modélisation de la localisation de la déformation à l'échelle macro, qui, dans un formalisme de milieu continu classique, souffre de la dépendance au maillage, l'approche double-échelle a été utilisée dans un formalisme de milieu enrichi de type milieu de second gradient pour matériau poreux saturé. Les capacités du modèle homogénéisé numériquement, utilisé dans un cadre de milieu de second gradient, sont ensuite démontrées par des simulations d'essais dométriques et d'essais de compression biaxiaux. L'approche se confirme être un moyen puissant pour modéliser l'anisotropie initiale et induite du comportement mécanique et du comportement hydraulique. Pour la modélisation du comportement de l'argilite du Callovo-Oxfordien, des VER sont construits en tenant compte des travaux de caractérisation de la géométrie des inclusions microscopiques et des résultats expérimentaux d'essais macroscopiques.La loi de comportement homogénéisée numériquement ainsi calibrée est utilisée dans des simulations de creusement de galerie jusqu'à des niveaux d'endommagement générant une localisation de la déformation.Ces calculs montrent à la fois la pertinence et l'applicabilité du concept double échelle pour l'évaluation du comportement hydromécanique des EDZ dans un contexte du stockage des déchets radioactifs.

  • Titre traduit

    Multi-scale modelling of the hydro-mechanical behaviour of argillaceuous rocks


  • Résumé

    Feasibility studies for deep geological radioactive waste disposal facilities have led to an increased interest in the geomechanical modelling of its host rock. In France, a potential host rock is the Callovo-Oxfordian claystone. The low permeability of this material is of key importance, as the principal of deep geological disposal strongly relies on the sealing capacity of the host formation. The permeability being coupled to the mechanical material state, hydromechanical coupled behaviour of the claystone becomes important when mechanical alterations are induced by gallery excavation in the so-called excavation damaged zone (EDZ). In materials with microstructure such as the Callovo-Oxfordian claystone [Robinet et al., 2012], the macroscopic behaviour has its origin in the interaction of its mi- cromechanical constituents. In addition to the coupling between hydraulic and mech- anical behaviour, a coupling between the micro (material microstructure) and macro will be made. By means of the development of a framework of computational homo- genization for hydromechanical coupling, a doublescale modelling approach is formu- lated, for which the macroscale constitutive relations are derived from the microscale by homogenization. An existing model for the modelling of hydromechanical coupling based on the distinct definition of grains and intergranular pore space [Frey, 2010] is adopted and modified to enable the application of first order computational homogenization for obtaining macroscale stress and fluid transport responses. This model is used to constitute a periodic representative elementary volume (REV) that allows the rep- resentation of the local macroscopic behaviour of the claystone. As a response to deformation loading, the behaviour of the REV represents the numerical equivalent of a constitutive relation at the macroscale. For the required consistent tangent operators, the framework of computational homogenization by static condensation [Kouznetsova et al., 2001] is extended to hy- dromechanical coupling. The theoretical developments of this extension are imple- mented in the finite element code Lagamine (Li` ege) as an independent constitutive relation. For the modelling of localization of deformation, which in classical FE meth- ods suffers from the well-known mesh dependency, the doublescale approach of hy- dromechanical coupling is combined with a local second gradient model [Collin et al., 2006] to control the internal length scale of localized deformation. By accepting the periodic boundary conditions as a regularization of the microscale deformation, the use of the multiscale model in combination with the local second gradient model can be used for modelling localization phenomena in HM-coupled settings with material softening. The modelling capacities of the approach are demonstrated by means of simula- tions of oedometer tests and biaxial compression tests. The approach is demonstrated to be a powerful way to model anisotropy in the mechanical as well as the hydraulic behaviour of the material both in the initial material state and as an effect of hy- dromechanical alterations. For the application to the modelling of Callovo-Oxfordian claystone, microstructural REVs are calibrated to geometrical characteristics of the inclusion that form the microstructure under consideration and to macroscale ex- perimental results of the mechanical behaviour. The calibrated constitutive relation is used in the simulation of gallery excavation processes. These computations give a proof of concept of the doublescale assessment of the hydromechanical behaviour of the excavation damaged zones around galleries in the context of nuclear waste disposal.


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