Modélisation micromécanique des roches poreuses. Application aux calcaires oolitiques

par Ngoc Bien Nguyen

Thèse de doctorat en Mécanique - Génie civil

Sous la direction de Albert Giraud et de Dragan Grgic.

Soutenue le 03-12-2010

à Vandoeuvre-les-Nancy, INPL , dans le cadre de RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement , en partenariat avec Laboratoire environnement géomécanique et ouvrages (Vandoeuvre-lès-Nancy) (laboratoire) .

Le président du jury était Jian-Fu Shao.

Le jury était composé de Albert Giraud, Dragan Grgic, Jian-Fu Shao, Dashnor Hoxha, Xavier Chateau.

Les rapporteurs étaient Dashnor Hoxha, Xavier Chateau.

mots clés

• Milieux hétérogènes
• Géomatériaux
• Approche micromécanique
• Modèle de sphères composites
• Interface imparfaite
• Poro-élasticité linéaire
• Elasto-plasticité
• Homogénéisation linéaire
• Homogénéisation non-linéaire
• Oolithe
• Élasticité linéaire
• Élastoplasticité

Résumé

Ce travail de thèse est consacré à l'étude du comportement poro-élastique linéaire et non linéaire des matériaux et géomatériaux poreux (notamment les calcaires oolithiques et le minerai de fer) par approche de changement d'échelle. A partir des observations microstructurales de ces matériaux, un modèle conceptuel a été proposé. Les roches poreuses étudiées sont constituées par un assemblage de grains (oolithes), à forte fraction volumique, cimentés par une matrice. La porosité, supposée connectée, est présente dans les oolithes (inter-oolithique) et dans la matrice (intra-oolithique). Un modèle d'homogénéisation à deux étapes est développé dans le cadre du modèle des sphères composites. L'importance des effets de liaison d'interface sur les propriétés poro-élastiques des sphères composites est étudiée en déterminant la solution exacte du modèle aux conditions d'interfaces parfaite ou/et imparfaite. Le modèle est tout d'abord appliqué pour estimer les propriétés effectives poro-élastiques linéaires des roches étudiées. Le comportement non linéaire de ces roches est étudié en attribuant à la matrice un comportement élastoplastique et en développant un comportement non linéaire pour les interfaces (oolithes - matrice). La comparaison entre résultats issus de la modélisation et ceux expérimentaux macroscopiques montre l'importance cruciale de la zone interfaciale de transition

mots clés

• Heterogeneous medium
• Geomaterials approach
• Composite Sphere Model
• Imperfect interface
• Linear poro-elasticity
• Linear and no-linear homogenization

Titre traduit

Micromechanical modelling of porous rocks. Application to oolitic limestone

Résumé

This work is devoted to the modelling of the linear and non-linear hydro-mechanical behaviour of porous rocks (such as oolitic limestone, iron ore) by the multiscale modelling approach. Based on microstructure observations, a conceptual model was proposed. Porous rocks studied are constituted by an assemblage of grains (oolites), with high volume fraction, coated by a matrix. The overall porosity is supposed connected and decomposed into oolite porosity and matrix porosity. A two step homogenization method has been developed in the framework of CSA models (Composite Sphere Assemblage). The effect of interfacial bonding condition on poroelastic properties of composite sphere is investigated by determining the exact solution of the model in the case of perfect or/and imperfect interface. Micromechanical model is applied firstly to estimation of effective linear poroelastic properties of rocks studied. Their non-linear behaviour is studied by considering a elasto-plastic behavior for both the matrix and the interfaces (oolite-matrix). The comparison between numerical simulations and macroscopic experimental results underlined the crucial role of the interfacial transition zone