Contributions de l’endommagement radoucissant à la zone de rupture autour des tunnels profonds dans les roches quasi-fragiles

Softening damage contributions to the failure zone around deep tunnels in quasi-brittle rocks

• Auteur / Autrice : Edoardo Trivellato
• Direction : Amade Pouya
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géomatériaux
• Date : Soutenance le 18/12/2018
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Jean Sulem
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Amade Pouya, Chloé Arson, Mountaka Souley, Jianfu Shao, Minh Ngoc Vu, Henry Kwai-Kwan Wong
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Chloé Arson, Mountaka Souley

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation des données (informatique)

Stockage souterrain

Souterrains

Argilite

Mots clés libres

Galeries profondes

Argilite radoucissante

Fractures

Rupture diffusée

Modélisation numérique

Fractures

Deep galleries

Softening claystone

Diffused failure

Numerical modelling

Résumé

L'Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra) gère un laboratoire souterrain de recherche au Centre de la Meuse/Haute-Marne (CMHM), pour étudier la faisabilité d’un stockage géologique profonde dans l’argilite du Callovo-Oxfordien. Les galeries suivent les deux contraintes horizontales principales majeure et mineure. Tandis que certaines galeries possèdent un état de contraintes presque isotrope dans leur section, les autres montrent une anisotropie plus importante.Ces travaux étudient les phénomènes de rupture et fracturation à court terme, induits par l’excavation autour des ouvrages. L’endommagement fragile est considéré comme mécanisme fondamental de rupture. En effet, on retrouve dans la littérature scientifique une estimation de cette zone à partir d'un post-traitement du champ des contraintes en élasticité ou basée sur un calcul élasto-plastique. Si la première méthode ne considère pas la redistribution des contraintes due aux phénomènes dissipatifs, les approches élasto-plastiques semblent parfois insuffisantes pour expliquer la géométrie de cette zone dans certains cas des excavations en roches quasi-fragiles (Pouya et al 2016). Deux phénomènes sont étudiés, avec des simulations numériques aux Eléments Finis 2d : le développement d’une rupture diffusé, autour de la section des galeries, et l’apparition des fractures le long de l’excavation. Alors qu’une modélisation en déformations planes simule le premier cas, le deuxième est étudié en axisymétrie.Pour la première approche, deux décharges isotropes, en élasto-plasticité ou élasto-endommagement radoucissant, démontrent une instabilité globale liée au premier modèle, alors que des ruptures localisées se produisent avec le deuxième. Ceci, enrichi pour considérer les anisotropies d’élasticité, de résistance et d’endommagement du matériau, permet une bonne estimation de la zone de rupture à court terme, avec des valeurs des convergences conformes aux données, pour une galerie testée comme cas d’étude. Ensuite, la transition de la rupture du matériau de fragile à ductile, avec le confinement, est aussi prise en compte, avec les différentes conditions aux limites d’une deuxième galerie. Les zones endommagées à court terme estiment correctement la forme et l'extension de la rupture et les valeurs des convergences instantanées sont comparables aux mesures (Trivellato et al 2018).Le deuxième axe de recherche concerne la prédiction de la longueur des fractures, simplifiées comme des discontinuités finies et parallèles, ainsi que leur espacement. Numériquement, ces sont assimilées aux éléments joints (Goodman 1976). Le modèle de la fracture cohésive (Pouya et Bemani 2015) a été choisi pour ces éléments. Avec une seule discontinuité, on observe une initiation instable de la fracture, possiblement suivi par une évolution stable, d’une longueur réduite. Plusieurs séquences des joints ont été employés pour calculer la périodicité des fractures. Ces travaux ont permis aussi l’étude de différentes méthodes numériques qui simulent l’avancement d’un front d’excavation. Selon un choix précis des paramètres, on calcule des longueurs de fracturation comparables aux mesures, ainsi que la possibilité d’obtenir l’activation d’une seule fracture parmi plusieurs (Trivellato et al 2018).Ces travaux constituent une nouvelle approche de prédiction des effets du creusement sur l’argilite du Callovo-Oxfordien. Ils étudient une rupture à court terme due au comportement fragile sous faible confinement. Le mécanisme de dissipation en endommagement est intégré par les effets à la fois de l’anisotropie intrinsèque du matériau et de sa transition fragile-ductile. Les résultats obtenus par les deux axes de recherche favorisent l’utilisation de ce modèle comme complément aux études des excavations. En perspective, on peut envisager d’intégrer ces modèles avec les effets de la plasticité/fluage du matériau ainsi qu’avec la poro-élastique en comptant les effets hydrauliques

The French National Radioactive Waste Management Agency (Andra) manages an Underground Research Laboratory (URL) at the Meuse / Haute-Marne Center to study the feasibility of a deep geological repository in the Callovo-Oxfordian claystone (COx). The galleries follow the major and minor principal stress directions. Some galleries show a quasi-isotropic stress state in their cross-section, while others show a greater anisotropy.These works study the short-term failure and fracturing phenomena induced by the underground structures’ excavation. Brittle softening damage is considered as a fundamental failure mechanism. The major part of scientific literature reports an estimation of this area from an elastic post-treatment or based on elastic-plastic analyses. If the first method does not consider the stresses’ redistribution due to dissipative phenomena, elastic-plastic approaches sometimes seem insufficient to explain the geometry of these zones in some cases of deep excavations in quasi-brittle rocks (Pouya et al 2016). Two phenomena are studied, through numerical simulations by 2d Finite Elements: the development of a diffused failures, around the galleries’ cross-section, and the fractures occurrence at their perimeter, along the excavation. While a plane strain analysis is suitable for the first problem, the second one is studied in axial symmetry.For the first part of the research, two isotropic unloading processes, in softening elastic-plasticity or elastic-damage, reproduce a global instability related to the first modelling, whereas localized failure occurs with the second one. The latter model, upgraded to consider intrinsic anisotropies in terms of elasticity, resistance and damage dissipative law, allows a consistent estimation of the short-term failure zone, with values of convergences in accordance to the data, for a gallery considered as a case study. Then, the transition of material’s failure from a brittle to ductile behaviour, with the confinement, is also simulated, according to different boundary conditions of a second gallery. The short-term damaged zones well reproduce the shape and extension of failure systems and the values of the instantaneous convergences are comparable to in-situ measurements (Trivellato et al 2018).The second research axis concerns the elongation and mutual spacing of fractures, simplified as a system of finite and parallel discontinuities. Numerically, they are assimilated to joint elements (Goodman 1976). The cohesive fracture model, based on damage, (Pouya and Bemani 2015) was chosen for these elements. In presence of a single potential fracture, an unstable initiation is observed, possibly followed by a stable evolution, of reduced length. Then, models with a sequences of several joints were used to analyse the fracture periodicity. This work also allowed the study of different numerical techniques simulating the advancement of an excavation front. According to a precise choice of parameters, fractures’ lengths are comparable to the geological and geophysical surveys. Similarly, the activation of one potential fracture among different discontinuities was calculated, showing a periodic occurrence (Trivellato et al 2018).This dissertation constitutes a new approach to reproduce the immediate effects of deep excavations in the Callovo-Oxfordian claystone. They study a short-term failure due to the material’s brittleness, under low confinement. Damage is adopted as the only dissipation mechanism and is integrated by the effects of material’s intrinsic anisotropy as well as its brittle-ductile post-peak transition. Results obtained by every research axis appear favourable to employ these models as complements to excavation studies. In perspective, the integration of plasticity / creep effects, as well as a poro-elastic framework accounting for hydraulic effects, may be considered