Initiation et propagation des fissures d'une roche argileuse sous pression de gaz : étude expérimentale et numérique.

Initiation and propagation of fissures in claystone under gas pressure : experimental and numerical study.

• Auteur / Autrice : Romain Rodrigues de Amorim
• Direction : Christian La Borderie, Stefano Dal Pont
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 20/09/2023
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences exactes et leurs applications (Pau, Pyrénées Atlantiques)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur appliquées à la mécanique et au génie électrique (Anglet)
• Jury : Président / Présidente : Jianfu Shao
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jianfu Shao, Philippe Cosenza, Frédéric Collin, Rémi de La Vaissière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Cosenza, Frédéric Collin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fracturation (géologie)

Stockage

Déchets radioactifs

Mots clés libres

Fracturation

Gaz

Propagation

Fracturing

Gas

Propagation

Résumé

Dans le cadre du projet Cigéo pour le stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde, l'Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs a mené de nombreuses études pour caractériser le comportement de l'argilite soumise à une augmentation de la pression liée à une production de gaz par corrosion et radiolyse au sein des alvéoles de stockage. Dans cette thèse, l'initiation et la propagation des fissures ainsi créées sont étudiées expérimentalement à l'échelle centimétrique afin de développer un modèle numérique continu simulant le gonflement et la fissuration à l'aide de la poro-élasticité et de l'endommagement, et ainsi d'améliorer les représentations existantes du matériau. Le modèle s'appuie sur une formulation permettant également la modélisation de l'auto-colmatage.Pour observer le chemin de propagation des fissures générées par l'augmentation de pression à l'échelle d'un échantillon, le choix s'est porté sur la tomographie à rayons X. Cette technologie, permettant de voir à l'intérieur de matériaux opaques, nécessite des temps d'acquisition longs au regard de la vitesse de propagation de la fracture. A partir d'une étude numérique discrète basée sur la mécanique linéaire de la rupture, un protocole expérimental inédit basé sur un apport de rigidité orthoradiale a été développé pour obtenir une maîtrise optimale de la fissuration et permettre son observation.Une première campagne expérimentale, sans tomographie, a mis en avant les effets de l'orientation du litage, du degré de saturation et du fluide utilisé sur l'initiation de la fissure et la résistance de l'argilite. Une deuxième campagne expérimentale, avec tomographie, a permis d'étudier la propagation d'une fissure, l'impact des inclusions de pyrite et l'hétérogénéité du matériau.Le passage à un modèle poro-élastique avec un chargement mécanique fluide a notamment nécessité l'ajout d'un couplage fort endommagement-perméabilité. Les essais de la première campagne ont alors été simulés de la resaturation jusqu'à la fracturation.

Within the framework of the Cigéo project for the storage of radioactive waste in a deep geological repository, the French National Agency for Radioactive Waste Management (Andra) has carried out numerous studies to characterise the behaviour of the argillite subjected to an increase in pressure linked to the production of gas by corrosion and radiolysis within the storage depostory. In this thesis, the initiation and propagation of the cracks thus created are studied experimentally at the centimetre scale in order to complete a continuous numerical model simulating swelling and cracking using poro-elasticity, and to improve existing representations of the material. The model is based on a formulation that also allows self-sealing to be modelled.In order to observe the propagation path of cracks generated by the pressure increase on a sample scale, X-ray tomography was chosen. This technology, which allows us to see inside opaque materials, requires long acquisition times compared to the velocity of fracture propagation. Using a discrete numerical study based on linear fracture mechanics, a novel experimental protocol based on an orthoradial stiffness addition was developed to achieve optimal control of cracking and to allow its observation.A first experimental campaign, without tomography, highlighted the effects of the orientation of the bedding, the degree of saturation and the injected fluid on the initiation of the crack and the strength of the argillite. A second experimental campaign, with tomography, made it possible to study the propagation of a crack, the impact of pyrite inclusions and the heterogeneity of the material.The transition to a poro-elastic model with fluid mechanical loading required the addition of a strong damage-permeability coupling. The tests of the first campaign were then simulated from resaturation to fracturing.