Modélisation THMC de la congélation artificielle des terrains : Application à la mine de Cigar Lake

THMC modeling of artificial ground freezing : Application to the Cigar Lake mine

• Auteur / Autrice : Hafssa Tounsi
• Direction : Ahmed Rouabhi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences et géoingénierie
• Date : Soutenance le 06/11/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : GRNE - Géosciences, Ressources Naturelles et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de géosciences (Fontainebleau, Seine et Marne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Thimus
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ahmed Rouabhi, Amade Pouya, Philippe Cosenza, Muriel Gasc-Barbier, Frédéric Guérin, Michel Tijani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Amade Pouya, Philippe Cosenza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sols -- Stabilisation

Mécanique des sols

Géologie appliquée

Mots clés libres

Technique de la congélation artificielle

Changement de phase

Couplage THMC

Modélisation numérique

Essais triaxiaux à température contrôlée

Élasto-Viscoplasticité

Salinité

Essais de gonflement libre

Artificial ground freezing

Phase change

THMC coupling

Numerical modeling

Temperature-Controlled triaxial compression tests

Elasto-Viscoplasticity

Salinity

Stress-free laboratory freezing tests

Résumé

La congélation artificielle des terrains est utilisée depuis des décennies comme technique de stabilisation et d’imperméabilisation temporaires des terrains pour résoudre des problèmes de génie civil ou minier à moindres coûts. Réussir sa mise en oeuvre nécessite l’utilisation d’outils numériques permettant de prédire l’évolution des parties congelées et la stabilité des terrains. Cette thèse propose une approche de modélisation, élaborée suivant une démarche thermodynamiquement cohérente couplant la thermique, l’hydraulique, la mécanique et la salinité, permettant de simuler la congélation des terrains. Elle inclue un modèle de comportement élasto-viscoplastique, basé sur des essais de laboratoire, capable de prédire la réponse d’un sol congelé. Un nouveau dispositif pour la réalisation d’essais triaxiaux à température et à vitesse de déformation contrôlées a été mis en place à cet effet. Le modèle thermo-hydro-mécanique et chimique a été validé par des essais de gel sur des éprouvettes initialement saturées avec de l’eau pure ou avec une solution de chlorure de sodium à diverses concentrations. A l’échelle de la structure, il a été appliqué au cas de la mine de CigarLake (Canada), à travers des simulations thermo-hydro-mécaniques couplées, qui ont permis de prédire l’évolution de la congélation dans le terrain et d’évaluer son impact sur les déplacements autour des tunnels de production excavés en dessous du massif congelé.

Artifical ground freezing (AGF) has been used for decades as a temporary soil stabilisation and waterproofing technique inorder to solve civil or mining engineering problems at lower costs. A successful implementation of this technique requires the use of numerical tools to predict the freezing evolution and the site stability. Through a thermodynamically consistent framework, a fully coupled thermo-hydro-mechanical formalism, considering the salinity effect and capturing the most relevant phenomena of ground freezing, is derived. The formalism includes an elasto-viscoplastic constitutive model, able to correctly reproduce the mechanical behavior of frozen soil, and fitted against temperature and strain rate-controlled triaxial tests carried out using a newly-developed experimental facility. The proposed approach is validated by meansof freezing laboratory tests, carried out on specimens initially fully saturated with pure water or with sodium chloride solutions at various concentrations. At the field scale, the formalism is applied to the case of the Cigar Lake mine. Fully coupled thermo-hydro-mechanical simulations of the ground freezing and excavation activities taking place in the mine are performed, in order to predict the freezing evolution in the ground and its influence on the ground movements in the vicinity of production tunnels excavated below the frozen ground.