Détermination des propriétés de fracture in-situ de l'argilite Callovo-Oxfordien : application à la prédiction de la géométrie des réseaux de fractures autour des tunnels

Determination of the in-situ fracture properties of Callovo-Oxfordian rocks : application to the prediction of fracture networks geometry around tunnels

• Auteur / Autrice : Mohamad Abdulmajid
• Direction : Laurent Ponson, Djimédo Kondo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 02/03/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris (2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Le Rond d'Alembert (Paris ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Leguillon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Armand, Darius Seyedi, Audrey Bonnelye
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Patrick Baud, Alexandre Schubnel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déchets radioactifs -- Élimination dans le sol

Anisotropie

Propriétés mécaniques

Argilite

Fractographie

Rupture, Mécanique de la

Mots clés libres

Mécanique de la rupture

Fractographie statistique

Ténacité

Anisotropie

Argilite callovo-oxfordien

Zone endommagée

Fracture mechanics

Statistical fractography

Callovo-Oxfordian claystone

Résumé

L’utilisation de l’énergie nucléaire nécessite des solutions sûres pour le stockage des déchets radioactifs. Une solution proposée pour les déchets radioactifs de haute activité est le stockage dans des formations géologiques profondes à faible perméabilité, telles que des argilites. En France, la faisabilité et la sureté à long terme de cette solution est étudiée dans l’URL (Underground Research Lab - Laboratoire de Recherche Souterrain) de Bure par l’Andra, l’agence nationale de gestion des déchets radioactifs. Motivé par ce défi, nous étudions ici les propriétés de rupture de l’argillite Callovo-Oxfordian (COx) présent sur le site de Bure. La propagation des fissures est le principal mécanisme de rupture des matériaux sous traction. Cependant, dans les matériaux anisotropes comme les argilites, le comportement des fissures lors de leur phase d’initiation, puis de leur propagation reste mal compris. Par conséquent, ces travaux visent également à améliorer notre compréhension des mécanismes élémentaires de rupture dans les matériaux anisotropes, à travers l’exemple de l’argilite COx. Dans ce contexte, nous avons effectué une caractérisation systématique des propriétés de rupture de l’argilite COx par test mécanique tant pendant la phase de propagation de la fissure (via la mesure de la ténacité dans différentes directions du matériau, et pour différents niveaux de teneur en eau), ainsi que dans la phase d’initiation (par la mesure de sa contrainte cohésif dans différentes directions également). Nous avons ensuite montré que nous pouvions mesurer ces propriétés de rupture à partir d’une analyse statistique des surfaces de rupture obtenues.Nous avons ensuite appliqué cette nouvelle méthode de caractérisation des matériaux aux fissures générées lors de l’excavation des galeries souterraines et extraites dans l’URL à 490 m de profondeur. Ceci nous a permis de mesurer les propriétés de rupture de l’argilite COx dans des conditions in situ. Enfin, la caractérisation fine des propriétés anisotropes de rupture de l’argilite (COx) nous a permis de calibrer un modèle visant à expliquer la présence de fissures autour des ouvrages souterrains. En particulier, notre modèle rend compte de façon qualitative la forme et la taille de la zone endommagée observée autour des ouvrages, en s’appuyant sur un mécanisme original de fissuration sous chargement compressif. Pour conclure, nous pensons que ces résultats pourront contribuer à la conceptions d’ouvrages souterrains plus sûrs.

The use of nuclear energy requires safe solutions for the storage of radioactive waste. A solution proposed for high activity radioactive waste is the storage in deep low permeability geological formations such as claystones. In France, the feasability and safety of this solution is investigated in the Bure URL (Underground Research Lab) by Andra, the French agency for the management of radioactive wastes. Motivated by this challenge, we explore here the fracture properties of the Callovo-Oxfordian (COx) claystone present in Bure. Crack propagation is the main mechanism leading to material failure under traction. However, in anisotropic materials like claystone, the behavior of cracks both during their initiation and their propagation phase remains poorly understood. As a result, this work aims also at improving our understanding of the mechanisms of fracture in anisotropic materials, through the example of the COx claystone. In addition to that, the determination of the fracture properties of rocks in their in-depth conditions is a very diffcult challenge. We will show here that this diffculty can be overcome by analysing the roughness of the in-depth fractures. We will start this study by a systematic characterization of the fracture properties of the COx claystone from fracture tests performed in the laboratory. We will investigate both the crack propagation phase (through the measurement of the toughness in different directions of the material, for different water content levels) as well as the initiation phase (through the measurement of the cohesive strength in different directions too). We will then show how to measure these material parameters from a statistical analysis of the resulting fracture surfaces. In a second step, we will apply this newly developped method of material characterization to fractures produced during the excavation of the gallery and extracted in the URL at 490 m deep. This analysis will provide the fracture properties of COx claystone in in-situ conditions. Finally, the detailed characterization of the fracture properties of the COx claystone will be used in structural calculations to better understand the origin of the fractures located around the gallery. In particular, we will propose an original mechanism of tensile crack initiation under dominantly compressive loading conditions that allows us to capture the shape and size of the damaged zone observed around the gallery. On the long term, we believe that our work will help to the design of safer galleries dedicated to the storage of nuclear waste.