Modélisations physique et numérique de la zone endommagée autour de galeries creusées dans l'argile de Boom

Physical and numerical modelling of the Excavation Damaged Zone around galleries in Boom Clay formation

• Auteur / Autrice : Florence Peguiron
• Direction : Albert Giraud, Vincent Labiouse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 13/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeoRessources
• Jury : Président / Présidente : Richard Giot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Albert Giraud, Vincent Labiouse, Pierre Delage, Frédéric Collin, Séverine Levasseur, Sylvie Granet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Delage, Frédéric Collin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Méthodes de simulation

Anisotropie

Tunnels

Mécanique de l'endommagement (milieux continus)

Roches argileuses

Déchets radioactifs -- Élimination dans le sol

Mots clés libres

EDZ

Argile de Boom

Anisotropie

Cylindre Creux

Modelisation physique

Modelisation numérique

EDZ

Boom Clay

Anisotropy

Hollow Cylinder

Physical modelling

Numerical modelling

Résumé

Le stockage des déchets hautement radioactifs est une problématique complexe en raison des exigences élevées en matière de sécurité et de la durée importante du stockage. Une solution envisagée est leur enfouissement dans une couche géologique profonde. La très faible perméabilité et la capacité d'auto-colmatage de l'argile de Boom en font une formation hôte privilégiée. Cette argile est étudiée dans le laboratoire souterrain HADES (High Activity Disposal Experimental Site) situé à Mol (Belgique) depuis 1974. Lors du creusement de galeries, une zone endommagée, dite EDZ (Excavation Damaged Zone), se crée suite à la décompression du terrain. Les propriétés mécaniques, hydrauliques et chimiques de l’argile de Boom y sont localement modifiées. Il est donc important de pouvoir prévoir l’étendue de cette zone et son impact sur la sécurité du stockage. Cette thèse vise à contribuer à une meilleure compréhension de la zone endommagée au travers de modélisations physique et numérique. La faible perméabilité de l’argile de Boom induit un fort couplage hydro-mécanique qui provoque à court terme une modification de la pression interstitielle. Cela a été mis en évidence lors de la réalisation des galeries du laboratoire souterrain HADES. En effet, des piézomètres installés préalablement dans le massif ont mesuré une légère augmentation suivie d’une forte chute de la pression interstitielle à mesure de l’avancement du front du tunnel. D’autre part, une convergence plus importante du massif a été mesurée horizontalement (i.e. parallèlement au litage) et la zone endommagée était également plus étendue horizontalement. Ce comportement pourrait être lié au caractère anisotrope de l’argile de Boom aussi bien mécanique (anisotropie de résistance et de déformabilité) qu’hydraulique. L’anisotropie des contraintes préexistantes dans la formation argileuse peut également avoir une influence. Une partie importante du travail consiste à modéliser physiquement l’excavation d’une galerie à grande profondeur. Il s’agit d’essais sur cylindres creux d’argile de Boom réalisés avec une cellule triaxiale modifiée disponible à la HEIA-FR. Les déformations de l’échantillon sont observées grâce à un micro-tomographe. Des essais seront réalisés sur des échantillons prélevés parallèlement et perpendiculairement au litage afin de simuler le comportement de galeries, respectivement de puits lors de la phase d’excavation. L’influence de l’orientation du litage sera ainsi mise en évidence. Dans un second temps, les essais en laboratoire seront modélisés numériquement. Le modèle constitutif utilisé permettra de prendre en considération aussi bien l’anisotropie de résistance que l’anisotropie de déformabilité de l’argile de Boom. Les résultats seront comparés aux observations expérimentales, et dans la mesure du possible, à une résolution analytique. Finalement, une modélisation numérique d’une partie du laboratoire souterrain sera effectuée et les résultats seront comparés aux mesures in-situ obtenues du projet CLIPEX.

The disposal of high-level radioactive waste is a complex issue due to the very strict requirements to achieve a long-term security. Their storage in deep geological formation is considered as a highly promising solution. Due to its low permeability and self-sealing capability, Boom Clay is a particularly adequate formation. It has been studied at HADES (High Activity Disposal Experimental Site) underground research laboratory in Mol (Belgium) since 1974. The stress release occurring during the excavation of galleries in Boom Clay induces an Excavation Damaged Zone (EDZ). Mechanical, hydraulic and chemical properties can locally be disturbed. Therefore, it is particularly important to predict the extent of this damaged zone and to determine whether it could have an impact on the safety of a future disposal. This present thesis aims at contributing to the understanding of the Excavation Damaged Zone by using physical and numerical models. The low permeability of Boom Clay formation induces a high hydro- mechanical coupling that leads to a short-term pore water pressure disturbance. This phenomena has been observed during the excavation of the underground laboratory HADES. Piezometers installed in the clay formation indicate a slight increase followed by a significant drop of the pore water pressure as the tunnel front comes closer. Furthermore, a higher convergence was measured horizontally (i.e. parallel to the bedding planes) and the damaged zone was as well larger in the horizontal direction. This could be related to mechanical anisotropy (strength and/or strain) as well as hydraulic anisotropy. The initial anisotropic stress field in the clay formation could also play a role. The major part of the work is dedicated to physical modelling of tunnel excavation in Boom Clay. To achieve this, hollow cylinders are subjected to a rapid decrease of the inner confining pressure in a modified triaxial cell available at HEIA-FR. Straight before and several times after the unloading, the samples are scanned in a high resolution tomograph to retrieve the displacements. To simulate the clay response during the excavation of galleries and shafts, tests will be conducted on samples cored parallel, respectively perpendicular to the bedding planes. This will allow to underline the influence of the orientation of the bedding planes. In a second part of the research, numerical simulations of the laboratory tests will be performed with a focus on the anisotropic behavior of Boom Clay. The constitutive model will take into account the strength anisotropy as well as the strain anisotropy. The numerical results will be compared to experimental observations, and as far as possible to analytical solutions. After validation of the constitutive model on the laboratory results, it is foreseen to model the excavation of galleries of the underground research laboratory HADES and to compare the numerical results to in situ measurements obtained from CLIPEX project (CLay Instrumentation Program for the EXtension of an underground research laboratory).