Thèse soutenue

Comportement thermo-hydro-mécanique de l´argilite du Callovo-Oxfordien : Effets des chemins de contrainte et des variations de température

FR  |  
EN
Auteur / Autrice : Philipp Braun
Direction : Pierre Delage
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Géotechnique
Date : Soutenance le 06/05/2019
Etablissement(s) : Paris Est
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : NAVIER - Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205
Jury : Président / Présidente : Christopher James Spiers
Examinateurs / Examinatrices : Pierre Delage, Philippe Cosenza, Antonio Gens, Siavash Ghabezloo, Jianfu Shao, Nathalie Conil
Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Cosenza, Antonio Gens

Résumé

FR  |  
EN

L’Agence nationale de gestion des déchets radioactifs (Andra) mène des recherches approfondies afin de caractériser l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx) en France, roche hôte potentielle pour le stockage géologique profond des déchets radioactifs. Les études concernent le comportement hydromécanique de la roche dû à l'excavation des galeries ainsi que la réponse thermo-hydro-mécanique (THM) résultant de la chaleur produite par les colis de déchets exothermiques. Un programme expérimental a été mené dans ce travail pour caractériser la réponse de l’argilite du COx sous différentes sollicitations THM dans un cadre thermo-poro-élastique isotrope transverse.Comme l’argilite du COx a une très faible perméabilité, les expériences en laboratoire doivent être adaptées pour de longues durées de saturation et de drainage. Nous présentons des solutions analytiques pour le champ de pression interstitielle en fonction du temps dans un échantillon soumis à différents chemins de chargement et à différents taux. Il s'agit d'un outil simple et efficace pour estimer les conditions devant être réunies afin de déterminer avec fiabilité les paramètres du matériau. Cela permet également d’optimiser les différentes conditions d'essai.À partir de cette approche, une nouvelle procédure de chargement transitoire par étapes a été mise au point pour les essais isotropes, dans des conditions drainées et non drainées, et sous charge thermique et mécanique. Ces protocoles rendent les expériences sur les roches à faible perméabilité plus efficaces en termes de temps, donnant accès à plusieurs paramètres THM et mesures de perméabilité en un seul essai.A partir des données d'essais de compression isotrope, de pression interstitielle et de chargement déviatoriques selon des directions parallèles et perpendiculaires au litage, on a étudié les propriétés poroélastiques des échantillons de roche saturée. Ces essais ont fourni un jeu compatible de paramètres de matériaux, et ce sous différents niveaux de contrainte, mettant en évidence une anisotropie significative. Alors que l'anisotropie du coefficient de Biot calculé par analyse inverse était très faible, nous avons observé une anisotropie importante du coefficient de Skempton.Des essais thermiques ont été réalisés selon différents chemins de chauffage et de refroidissement. Nous avons déterminé les coefficients de dilatation thermique drainée et non drainée dans les deux directions isotropes transverses. La mesure des variations de pression interstitielle a donné le coefficient de pressurisation thermique. Nous avons identifié une dépendance aux contraintes et à la température.Nous avons reproduit des chemins de chargement thermo-hydro-mécaniques correspondant aux chemins in situ sur l'axe de symétrie entre deux alvéoles dans lesquels sont placés les colis de déchets. À l'aide d'un système triaxial spécialement adapté et novateur, les échantillons ont été chauffés sous condition de déformation latérale nulle jusqu'à ce que les surpressions interstitielles thermiques provoquent des contraintes de traction qui ont fini par fracturer le matériau à des contraintes axiales effectives d'environ -3,0 MPa. Des essais sous différentes contraintes latérales totales a permis de décrire la rupture selon le critère de Griffith généralisé par Fairhurst. En utilisant les propriétés des THM évaluées dans l'étude, nous sommes en mesure de reproduire de façon satisfaisante les déformations observées sous tension.Enfin, un modèle thermo-poroélastique a été implanté dans un code de calcul d'éléments finis Freefem++. Le comportement THM autour des alvéoles parallèles disposés à intervalles réguliers a été modélisé. Cela permet de mieux comprendre la disposition spatiale des processus THM, les transferts de chaleur et de fluides, ainsi que le changement des états de contrainte par rapport au critère de rupture présenté ici