Caractérisation expérimentale de l’endommagement Thermo-Hydro-Mécanique dans les argilites

Experimental characterization of Thermo-Hydro-Mechanical damage in claystones

• Auteur / Autrice : Coffi Gbewade
• Direction : Dragan Grgic, Albert Giraud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique - Génie Civil
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GéoRessources (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Mahdia Hattab
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dragan Grgic, Albert Giraud, Jianfu Shao, Jérôme Fortin, Mai-Linh Doan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jianfu Shao, Jérôme Fortin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anisotropie

Fracturation hydraulique

Essais de compression

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Propriétés mécaniques

Argilite

Mots clés libres

Endommagement

Essai de compression

Fracturation hydraulique

Anisotropie

Propriétés mécaniques

Argilites

Damage

Compression test

Hydraulic fracturing

Anisotropy

Mechanical properties

Claystones

Résumé

Prévoir et gérer un endommagement thermique et ou hydromécanique des roches dans le domaine de l'ingénierie souterraine représentent des défis majeurs qui ne sont pas complètement compris. Ces altérations peuvent entraîner des conséquences sérieuses sur la stabilité des ouvrages, mettant ainsi en péril la durabilité et la résilience des infrastructures critiques. Cette thèse vise à contribuer à la compréhension des processus Thermo-Hydro-Mécanique (THM) inhérents aux applications de la géo-ingénierie afin de permettre une évaluation plus précise des risques associés grâce à des expérimentations en laboratoire. Une première série d'expérimentations sur l'argilite du Callovo-oxfordien a visé l'étude de l'influence de la température sur ses propriétés mécaniques dans le contexte du stockage géologique des déchets radioactifs en France. Ainsi, des essais de compression en cellule triaxiale ont été réalisés en condition pseudo-drainée avec des mesures de déformations à différentes températures (20, 40, 60, 80, 100 et 150 °C), pressions de confinement (0, 4 et 12 MPa) et orientations des échantillons (parallèle et perpendiculaire au plan de litage). L'analyse des coefficients élastiques indique que, dans tous les cas, un dommage anisotrope se développe pendant le chargement déviatorique en raison de l'ouverture de microfissures axiales. En outre, la déformation maximale et la résistance augmentent lorsque les pressions de confinement augmentent. La phase de chauffage initiale génère une surpression transitoire de l'eau interstitielle due à l'expansion thermique, qui crée des microfissures probablement parallèles au plan de litage. Une diminution globale de la résistance maximale avec l'augmentation de la température (jusqu'à 100 °C) est observée en raison des dommages thermo-hydro-mécaniques induits par le chauffage initial. Pour les échantillons parallèles soumis à des conditions uniaxiales, cette diminution est la plus importante et la dilatance volumétrique se développe pendant le chargement pour les températures les plus élevées. Pour toutes les autres conditions, la diminution est plus modérée et il n'y a pas de dilatance parce que la pression de confinement réduit la création de microfissures thermo-induites initialement qui sont également fermées lorsque la contrainte axiale augmente pendant les essais de compression lorsque l'orientation est perpendiculaire. Il n'y a pas d'impact notable de la température (jusqu'à 100 °C) sur l'évolution des coefficients élastiques. La résistance maximale augmente pour la température la plus élevée (150 °C) dans tous les cas, en raison de la vaporisation de l'eau et de la forte désaturation des échantillons, ce qui induit le développement d'une succion capillaire très importante. Une seconde série d'expérimentation a été réalisée sur des échantillons cylindriques d'argilite Tournemire afin d'étudier l'endommagement induit Hydro-Mécaniquement (HM) lors des essais de fracturation hydraulique. Quatre essais de fracturation ont été réalisés dans une cellule de compression triaxiale de type tube creux avec des vitesses d'injection d'eau différentes. Les échantillons ont été soumis à un état de contrainte représentatif de l'état de contrainte in situ. Les dommages induits par le couplage HM sont analysés à l'aide de mesures de déformations et de l'écoute des émissions acoustiques (EA). Les résultats ont montré que l'augmentation de la vitesse d'injection a tendance à augmenter la pression de rupture du puits d'injection. Néanmoins, les pressions à la rupture lors des essais sont largement inférieures à la valeur de prédiction théorique sauf pour l'essai avec la plus haute vitesse d'injection pour lequel la pression à la rupture est supérieure à la valeur prédictive. L'anisotropie du matériau a également tendance à changer le mode de rupture du puits.

Predicting and managing thermal and/or hydromechanical damage of rocks in the field of underground engineering represent major challenges that are not yet fully understood. These alterations can lead to serious consequences for the stability of structures, thus jeopardizing the sustainability and resilience of critical infrastructures. This thesis aims to contribute to the understanding of Thermo-Hydro-Mechanical (THM) processes inherent in geo-engineering applications to enable a more accurate assessment of associated risks through laboratory experiments. A first series of experiments on the Callovo-Oxfordian claystone focused on studying the influence of temperature on its mechanical properties in the context of geological storage of radioactive waste in France. Triaxial compression tests were conducted under pseudo-drained conditions with deformation measurements at different temperatures (20, 40, 60, 80, 100, and 150 °C), confinement pressures (0, 4, and 12 MPa), and sample orientations (parallel and perpendicular to the bedding plane). Analysis of the elastic coefficients indicates that, in all cases, anisotropic damage develops during deviatoric loading due to the opening of axial microcracks. Furthermore, maximum deformation and strength increase as confinement pressures increase. The initial heating phase generates a transient overpressure of interstitial water due to thermal expansion, creating microcracks likely parallel to the bedding plane. An overall decrease in maximum strength with increasing temperature (up to 100 °C) is observed due to the thermo-hydro-mechanical damage induced by initial heating. For parallel samples subjected to uniaxial conditions, this decrease is most significant, and volumetric dilation occurs during loading at the highest temperatures. For all other conditions, the decrease is more moderate, and there is no dilation because the confinement pressure reduces the creation of initial thermo-induced microcracks, which are also closed when the axial stress increases during compression tests when the orientation is perpendicular. There is no noticeable impact of temperature up to 100 °C on the evolutions of the elastic coefficients. The maximum strength increases at the highest temperature (150 °C) in all cases, due to water vaporization and strong desaturation of the samples, inducing the development of very significant capillary suction. A second series of experiments was conducted on cylindrical samples of Tournemire claystone to study Hydro-Mechanically (HM) induced damage during hydraulic fracturing tests. Fracturing tests were conducted in a hollow cylindrical triaxial compression cell with different water injection rates. The samples were subjected to a stress state representative of the in-situ stress state. Damage induced by hydromechanical coupling was analyzed using deformation measurements and acoustic emission (AE) recording. The results showed that increasing the injection rate tends to increase the wellbore pressure at breakdown. However, the breakdown pressures during the tests are significantly lower than the theoretical prediction value of Hubbert-Willis solution, except for the test with the highest injection rate for which the rupture pressure is higher than the predicted value. Material anisotropy also tends to change the mode of wellbore failure. Increasing injection pressure would generate rather tensile cracks, whereas slower injection rates would generate rather shear cracks.