An experimental study of localized compaction in high porosity rocks : the example of Tuffeau de Maastricht

par Athanasios Papazoglou

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Gioacchino Viggiani.

Le président du jury était Frédéric Victor Donzé.

Le jury était composé de Pierre Bésuelle, Eleni Gerolymatou.

Les rapporteurs étaient Patrick Baud, Manolis Veveakis.

  • Titre traduit

    Une étude expérimentale des bandes de compaction dans les roches très poreuses : l'exemple du Tuffeau de Maastricht


  • Résumé

    En raison de leur porosité élevée, les roches carbonatées forment d'importants réservoirs d'eau et d'hydrocarbures, et conviennent également à d'autres applications telles que le stockage de CO2 ou des déchets nucléaires. Cependant, le compactage localisé dans les roches carbonatées affecte le champ des contraintes et les propriétés hydromécaniques de ces roches, entraînant des déformations inélastiques et des dommages avec des impacts économiques, environnementaux et sociaux potentiels. Des études antérieures sur le terrain et des études expérimentales en laboratoire que dans les roches carbonatées poreuses, contrairement aux grès, une variété de micromécanismes tels que l'effondrement des pores, le broyage des grains, la petre de cimentation, la plasticité des cristaux et la dissolution sous contrainte peuvent entraîner une densification inélastique. En raison de la coexistence de ces multiples processus inélastiques et de leur interactions, le micromécanisme prédominant à l'origine du processus de localisation et de rupture reste mal compris.Cette thèse de doctorat présente une étude expérimentale sur les mécanismes de déformation régissant le comportement mécanique et le mode de rupture des roches carbonatées à haute porosité. A cet effet, le Tuffeau de Maastricht, un calcaire sédimentaire bioclastique présentant jusqu'à 52% de porosité, a été testé à l'état sec. Cette étude s'est concentrée sur la façon dont le chemin des contraintes, la pression de confinement et l'orientation de la stratification influent sur l'apparition et la propagation des bandes de compaction. Trois campagnes expérimentales principales sont menées sur des éprouvettes cylindriques pour étudier la transition fragile-ductile :compression isotrope,compression uniaxiale et compression triaxiale. Une analyse systématique du comportement anisotrope du Tuffeau de Maastricht est effectuée sur des échantillons qui ont été forés perpendiculairement, obliquement 45° et parallèlement au plan de la stratification. La micro-tomographie à rayons X à haute résolution est utilisée pour obtenir des images 3D de l'ensemble de l'échantillon en cours de chargement. Les images acquises sont traitées et des mesures de plein champ ont été utilisées pour élucider les mécanismes d'initiation et de propagation des zones de compactage localisées. Les variations de porosité pendant le chargement sont mesurées macroscopiquement et localement. L'utilisation systématique des rayons X combinée à l'utilisation de l'analyse d'image avancée et de la corrélation d'images numérique fournit une information 3D quantitative du champ de déformation et de son évolution pendant un test.Deux modes de rupture sont identifiés, selon les mesures de porosité et la CIVD: les bandes de cisaillement contractantes développées à basse pression de confinement et les bandes de compaction formées perpendiculairement à la contrainte principale majeure de compression à un confinement plus élevé. Ces bandes se développent à contrante déviatoire presque constante et se propagent dans tout l'échantillon, phase marquée par des chutes épisodiques de la contrainte deviatoire. Les essais de compression triaxiale conduit à des niveux de déformation axiale plus élevée présentent trois phases distinctes: une phase initiale quasi-linéaire, suivie par un plateau de contrainte déviatoire, enfin un durcissement post-plateau. L'observation essentielle de ces expériences est l'existence d'un mécanisme de dégradation del la cimentation entre grains qui transforme l'échantilon cohésif et frottant en un miliu granulaire purement frottant. D'autres expériences réalisées sur du sable obtenu par dégradation artificielle de la roche originelle mettent l'accent sur cette phase de déstructuration qui se produit lors du plateau de la contrainte déviatoire. Les résultats expérimentaux mettent également en évidence la forte influence due à l'anisotropie sur le comportement mécanique du matériau étudié.


  • Résumé

    Given their high porosity, carbonates form important water and hydrocarbons reservoirs, and they are also suitable for other applications such as CO2 storage and nuclear waste disposal. However, localized compaction in carbonates affects the stress field and the hydromechanical properties of these rocks leading to inelastic deformation and failure with potential economic, environmental and social impacts. Previous field and experimental studies have shown that in porous carbonates, unlike sandstones, a variety of micromechanisms such as pore collapse, grain crushing, debonding, crystal plasticity and pressure solution can potentially lead to inelastic compaction. Due to the coexistence of such multiple inelastic processes and the interplay among them, the dominant micromechanism responsible for failure remains poorly understood.This doctoral thesis presents an experimental investigation into the deformation mechanisms governing the mechanical behavior and failure mode of high porosity carbonate rocks. To this end, Tuffeau de Maastricht, a bioclastic sedimentary limestone exhibiting up to 52% porosity, has been tested under dry conditions. This study focuses on how stress path, confining pressure and bedding orientation affect the onset and propagation of localized compaction. Three main experimental campaigns are conducted on cylindrical specimens of 11.5 mm diameter and 22 mm height to study the brittle-ductile transition: (i) isotropic compression, (ii) uniaxial compression, and (iii) triaxial compression tests at confining pressures ranging from 1 to 5 MPa. A systematic analysis of the anisotropic behavior of Tuffeau de Maastricht is conducted on samples cored perpendicular, oblique 45° and parallel to the bedding plane. High resolution x-ray computed tomography (CT) is used to obtain 3D images of the entire specimen under loading. The acquired images are processed and full-field measurements have been used to elucidate the mechanics of initiation and propagation of localized compaction. Porosity variations during loading are measured macroscopically as well as locally. The porosity measurements are performed over a REV, which is defined with the use of statistical tools. The systematic use of x-ray micro tomography combined with the use of advanced image analysis and Digital Image Correlation (DIC) provides a quantitative 3D information the strain field inside a sample and its evolution during a test.Two failure modes are identified, based on porosity measurements and DIC: compactive shear bands at low confining pressure, and compaction bands (perpendicular to the maximum compressive stress) at higher confinement. These bands develop at essentially constant deviator stress and propagate through the whole sample punctuated by episodic stress drops. Triaxial compression tests at much higher axial strain present three distinct phases: (1) an initial quasi-linear increase of deviator stress, followed by (2) a plateau and (3) a post-plateau hardening. The essential observation from these experiments if the occurrence of a debonding phase which converts the specimen from rock-like to sand-like. A second localization, typical of dense sand, eventually occurs for very axial strain. Additional experiments that are performed on artificially debonded specimens emphasize this destructuration phase during the plateau of deviator stress. The experimental results also highlight the strong anisotropy of the mechanical behavior of the studied material.


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