Modélisations couplées thermo-hydro-mécaniques en milieux poreux partiellement saturés : solutions linéaires et non linéaires

• Auteur / Autrice : Gilles Thouvenon
• Direction : Françoise Homand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux poreux

Zone d'aération

Modèles théoriques

Résumé

Partant du principe qu'un matériau artificiel comme un béton, ou bien un matériau naturel tel qu'une roche argileuse, peuvent être considérés comme des matériaux poreux polyphasiques, au sein desquels se produisent des interactions entre les phases solide, liquide et éventuellement gazeuse, les équations différentielles régissant le comportement couplé thermo-hydro-mécanique ont été établies dans le formalisme défini par Coussy (1995), par une démarche rigoureuse s'appuyant sur des arguments thermodynamiques. Pour certains problèmes, dans le cas de géométrie unidimensionnelle, une approche linéarisée peut être envisagée. Le schéma de résolution pour une étude linéaire est de type semi-explicite : les techniques existantes ont été étendues. Pour pouvoir résoudre des problèmes couplés thermo-hydro-mécaniques et deux méthodes d'inversion numérique des transformées de Laplace ont plus particulièrement été étudiées et validées (Stehfest, 1970 ; Piessens et al. , 1983). L'intérêt des approches semi-explicites est double puisqu'elles permettent de valider les codes de calcul et qu'elles sont également très utiles du fait de leur rapidité pour réaliser des études de sensibilité. D'autre part, un code aux éléments finis a été développé au LAEGO pour résoudre le système d'équations généralement non linéaires. Ce cadre théorique et ces outils ont ensuite été mis à profit pour modéliser trois applications présentant un fort intérêt industriel, en relation avec Electricité de France. Une première étude concerne le stockage des déchets radioactifs de haute activité par le concept de Barrière Ouvragée (BO), et s'intéresse à la cinétique de ressaturation. Cette couche argileuse est initialement non saturée et s'hydrate progressivement en contact avec le massif environnant pour former une barrière autour des conteneurs de déchets. La deuxième étude traite du phénomène de retrait de dessiccation : après une étude générale sur des structures en béton idéales, une analyse de la ventilation dans une galerie argileuse est proposée pour expliquer le lien entre la dessaturation du massif et l’apparition d'une fissuration en paroi de la galerie, comme cela a pu être observé sur le site de Tournemire. Enfin, une troisième étude est relative au problème d'isolation thermique des murs de bâtiment. Un mur de bâtiment est modélisé comme un ensemble constitué de plusieurs couches (plâtre, béton, isolant, enduit) et deux agencements différents sont étudiés (isolation par l'intérieur ou l'extérieur). Les fortes variations climatiques extérieures induisent l'apparition de contraintes de traction dans le modèle qui peuvent être à l'origine de décohésion entre les matériaux.

On the basis of the princip le that an artificial material like a concrete, or well a natural material such as a clay, can be regarded as polyphase porous materials, in which occur interactions between the phases solid, liquid and possibly gas, the differential equations governing the thermo-hydro-mechanical coupled behavior were established in the formalism defined by Coussy (1995), by a rigorous step being based on thermodynamic arguments. For certain problems, in the case of one-dimensional geometry, a linearized approach can be considered. The diagram of resolution for a linear study is of semi-explicit type: the existing techniques were wide to be able to solve coupled problems and two numerical methods of inversion of the Laplace transforms were more particularly studied and validated (Stehfest, 1970; Piessens et al. , 1983). The interest of the semi explicit approaches is double since they make it possible to validate computer codes and they are also very useful to make sensitivity analyses thanks to their calculation speed. In the other band, a finite elements computer code, PARSAT, was developed in LAEGO to solve the system of equations which is generally non-linear. This theoretical framework and these tools were then made profitable to model three applications being of strong industrial interest, in relation to EDF, the French electricity company. A first study relates to the storage of the high activity radioactive waste with the concept of Clay Barrier (CB), and is interested in the kinetics of ressaturation of the CB. This clay layer is initially not saturated and is hydrated gradually in contact with the surrounding rock mass to form a barrier around the waste containers. The second application is based on the phenomenon of desiccation shrinkage. After a general study on ideal concrete structures, an analysis of distribution in a clay gallery is proposed to explain the link between the dessaturation of the rock mass and the appearance of a cracking in the wall of the gallery, as it could be observed on the site of Tournemire. Lastly, a third study relates to the problem of insulating building wall. A wall is modelled like a unit made up of several layers (plaster, brick-masonry, polystyrene, rendering) and two different layouts are studied (internal or external insulation). The strong external climatic variations induce the appearance of tensile stresses in the model which can be at the origin of decohesion between materials.