Modélisation de l'endommagement et de la fissuration des roches argileuses sous sollicitations thermo-hydromécaniques avec la méthode de champ de phase

Modeling the damage and cracking of claystone under thermo-hydromechanical loading by the phase field method

• Auteur / Autrice : Zhan Yu
• Direction : Jianfu Shao
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 29/11/2019
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMcube - Laboratoire de mécanique, multiphysique, multiéchelle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Géomatériaux

Fissuration

Plasticité

Roches argileuses

Mots clés libres

Méthode de champ de phase

Couplage thermohydromécanique

Résumé

Dans le contexte général de différents projets de recherche liés au stockage géologique des déchets radioactifs, à l'exploration de gaz de schiste et à la séquestration de gaz acides, il est nécessaire d'étudier l'endommagement et la fissuration des roches argileuses sous sollicitations thermo-hydromécaniques.La première partie de la thèse est consacrée au développement d'une nouvelle méthode de champ de phase pour des géomatériaux sous sollicitations complexes. Deux champs de phase sont définis afin de prendre en compte des fissures de traction et de cisaillement. Un cadre thermodynamique est proposé permettant de décrite les évolutions des deux champs de fissures. La déformation plastique des roches est également prise en considération. Un algorithme spécifique est ensuite proposé pour prendre en compte le couplage entre les champs de fissures et le champ de déplacement. Cet algorithme est mis en oeuvre dans le cadre de la méthode des éléments finis. L'efficacité de la nouvelle méthode de champ de phase est illustrée par des exemples de fissuration en traction et en cisaillement.Dans la deuxième partie, la méthode de champ de phase est étendue aux problèmes de couplage thermo-hydromécanique (THM). Une procédure numérique est développée permettant de considérer le couplage entres les champs de fissures, le champ mécanique et les champs de pression de fluide et de température. Les effects du couplage THM sur les mécanismes de fissuration est mis en évidence.Dans la dernière partie, deux exemples d'application sont présentés. Le premier concerne l'étude de l'endommagement et de la fissuration induits par l'excavation autour d'une galerie souterraine. Le deuxième est lié au problème de fissuration induite par la variation de température. Les deux exemples sont basés sur des expérimentations in situ menées par l'Andra.

In the general framework of research projects related to geological disposal of radioactive waste, shale gas production and acid gas sequestration, it is necessary to investigate damage and cracking in clayey rocks under coupled thermo-hydro-mechanical loads (THM).In the first part of the thesis, a new phase-field method is developed for rock-like materials. Two crack fields are introduced in order to describe both tensile and shear cracks. A proper thermodynamics framework is proposed to describe the evolution of two crack fields. The plastic deformation of rocks is also taken into account. An efficient numerical algorithm is adopted for the coupling between the crack fields and displacement field. This algorithm is then set up in the framework of the finite element method. The efficiency of the new phase-field method is illustrated through examples showing tensile and shear cracks.In the second part, the phase-field method is extended to problems with thermo-hydro-mechanical coupling. To this end, a specific procedure is developed for the coupling between the crack fields, mechanical field and hydraulic and thermal fields. The effects of THM coupling on cracking mechanisms are investigated.The last part is devoted to two representative examples of application. The first one is relevant to the study of excavation induced damage and cracking around an underground gallery. The second one is related to the thermally induced cracking. Both examples are based on in situ experiments performed in the underground research laboratory of Andra.