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

par Philipp Braun

Thèse de doctorat en Géotechnique

Sous la direction de Pierre Delage.

Soutenue le 06-05-2019

à Paris Est , dans le cadre de SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec NAVIER (laboratoire) et de Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205 (laboratoire) .

Le président du jury était Christopher Spiers.

Le jury était composé de Pierre Delage, Philippe Cosenza, Antonio Gens, Siavash Ghabezloo, Jianfu Shao, Nathalie Aublive-Conil.

Les rapporteurs étaient Philippe Cosenza, Antonio Gens.


  • Résumé

    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

  • Titre traduit

    Thermo-hydro-mechanical behavior of the Callovo-Oxfordian claystone : Effects of stress paths and temperature changes


  • Résumé

    Extensive research is carried out by the French National Radioactive Waste Management Agency (Andra), in order to characterize the Callovo-Oxfordian (COx) claystone, a candidate host rock for a deep geological radioactive waste repository in France. The hydromechanical behaviour of the rock due to the excavation of the galleries are studied, as well as the thermo-hydro-mechanical (THM) response arising from heat generated by the exothermic waste packages. A laboratory programme was carried out in this work to characterize the response of COx claystone to different THM loadings within the framework of transversely isotropic thermo-poro-elasticity.Due to the very low permeability of the COx claystone, laboratory experiments have to be adapted for long saturation and drainage durations. Analytical solutions are presented for the time dependent pore pressure field in a specimen submitted to various loading paths and different rates. This provides a simple and efficient tool for the estimation of the conditions that must hold for reliable determination of material parameters. It allows as well an optimization of various test conditions.Based on this approach, a new transient step loading procedure was developed for isotropic tests in drained and undrained conditions, under both thermal and mechanical loading. This protocols render experiments on low permeable rocks more time efficient, giving access to several THM parameters and permeability measurements in a single test.In isotropic compression tests, pore pressure tests, and deviatoric loading tests parallel and perpendicular to the bedding plane, poroelastic properties were investigated on saturated rock specimens. The performed experiments provide compatible material parameters at different stress levels, evidencing a significant transverse isotropy, which had little effects on the back-calculated Biot’s coefficients and more effects on Skempton's coefficients.Thermal loads were exerted on COx specimens along different heating and cooling paths. Drained and undrained thermal expansion coefficients along both the transverse isotropic directions were determined. The measurement of pore pressure changes yielded the thermal pressurization coefficient, with a stress and temperature dependency identified.Thermo-hydro-mechanical loading paths corresponding to the paths expected in situ at the symmetry axis between two microtunnels, in which canisters are placed, were mimicked in the laboratory. Using a specially developed novel triaxial device, samples were heated with no radial strain allowed, until thermally induced pore pressures caused effective tensile stresses, which ultimately fractured the material at axial effective stresses around -3.0 MPa. Fracturing under different lateral total stresses allow to describe the failure with Fairhurst's generalized Griffith criterion. Using the THM properties evaluated earlier in the study, one is able to satisfactorily reproduce the observed deformations under tension.Last of all, a thermo-poroelastic model was implemented in the finite element solver Freefem++. The THM behaviour around parallel microtunnels in periodic layout is simulated in a 2D configuration. This helps to better understand the spatial arrangement of THM processes, heat and fluid transport, and the change of stress states with respect to the presented failure criterion


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