Le travail concerne la simulation des ouvrages de stockage des déchets radioactifs en formation géologique profonde installés dans l’argilite du Callovo-Oxfordien.Il comporte 3 parties : La première présente le modèle SC2D (Swelling Creep Diagenesis Damage) utilisé pour évaluer les comportements de l’argilite ; La deuxième présente les applications du modèle SC2D pour décrire les zones EDZ des ouvrages excavés. Ces zones sont caractérisées par les domaines où les coefficients d’endommagement sont unitaires. Les coefficients d’endommagement sont évalués à partir d’une extension de la relation de Mazars en considérant les déformations d’extension dans les directions de diagenèse ; La troisième partie concerne les effets différés autour des ouvrages après l’excavation, ils sont représentés par les vecteurs vitesses de déformation dont les amplitudes sont gouvernées par les niveaux d’endommagement et les déviateurs des contraintes. La comparaison entre des mesures de convergences in situ et des résultats modélisés permet de valider le vecteur vitesse de déformation. / The study aims to evaluate the radioactive waste storage structures in argillite Callovo- Oxfordien : The first part presents the model SC2D (Swelling Creep Diagenesis Damage) used to simulate the behaviour of argilite, this model is based on special hydro-mechanical characteristics of the argillite Callovo-Oxfordien; The second part shows the applications of SC2D model to describe anisotropic damaged areas around the excavated structures. These EDZ zones are determined when the damage coefficients are unitary and the discontinuities activate when damage coefficient reaches unity, damaged coefficients are calculated from an extension of Mazars by considering the extension deformation in the directions of diagenesi; the final part discussess the delayed effects around the structures after excavation; they are represented by the deformation velocity vectors whose amplitudes are governed by the level of damage and the deviatoric stress. The comparison between in situ convergence measurements and modeled results validates the deformation velocity vectors.

L'étude de la faisabilité du stockage des déchets radioactifs à long terme pour les argilites du Callovo Oxfordien (COx) a été réalisée en tenant compte des différents scénarios d'endommagement et de rupture. Cette thèse porte sur l'étude numérique des propriétés de transfert de gaz (principalement produit par la corrosion des parties métalliques) à travers cette formation peu perméable. Les méthodes traditionnelles, basées sur les approches macroscopiques où les propriétés de transpert sont considérées comme homogènes, ne sont plus adaptées à l'étude des chemins préférentiels de transfert. Dans cette étude, des modèles morphologiques de l'espace poreux à l'échelle microscopique sont construits par l'union des excursions de champ aléatoire en utilisant les distributions des tailles de pore mesurées expérimentalement. Ensuite, des opérations morpho-mathématiques sont utilisées pour le filtrage et l'analyse d'image afin d'extraire les chemins préférentielles de transpert et de prédire la pression d'entrée de gaz, la pression de percée de gaz et le processus d'imbibition. / The feasibility study of long-term radioactive waste storage in COx argillite has been performed by considering various damage and failure scenarios. This study aims at the numerical investigation of gas (mainly produced by corrosion of metallic parts) migration properties through the low-permeable formation. Traditional methods, based on macroscopic approaches or homogeneous transport properties, are inappropriate to analyze this issue at the meso/microscopic scale. In this study, accurate porous space morphologies are constructed through union of excursions of Random Fields considering different experimental pore size distribution curves. Afterwards, morpho-mathematical operations are implemented for image filtering and analysis for the purpose of extraction of preferential gas transport pathways and prediction of gas entry pressure, gas breakthrough pressure and the following imbibition process.

Afin de prévoir et réglementer l'impact environnemental des activités humaines telle que l'exploitation minière de l'uranium et des déchets radioactifs, il est nécessaire de comprendre le comportement des actinides, la migration des radionucléides dans l'environnement et analyser leur interaction avec l'argile minérale. Le comportement des actinides dans le sol concerne principalement les interactions et les adsorptions dans les surfaces qui changent les formes des éléments radioactifs et réduisent la mobilité des actinides dans les systèmes naturels. Par conséquent, il est important de comprendre comment les actinides interagissent avec l'argile minérale et étudier le processus fondamental de précipitation de surface.L'uranium est la teneur en métal lourd la plus prépondérante des déchets ultimes dans le cycle du combustible nucléaire ( > 95 % de UO2 ). En outre, l'uranium est un contaminant majeur dans le sol, le sous-sol et les eaux souterraines en raison de l'activité humaine. Dans des conditions environnementales standards, la forme chimique la plus stable de U ( VI ) est l' ion uranyle UO22+, qui est potentiellement très mobile et se combine facilement avec la matière organique et inorganique.D’un autre côté, le dioxyde de carbone est un important gaz à effet de serre, réchauffant la surface de la terre à une température plus élevée en réduisant vers l'extérieur le rayonnement. Toutefois, des problèmes peuvent se produire lorsque la concentration atmosphérique des gaz à effet de serre augmente. Des quantités importantes d'émissions de dioxyde de carbone ont été produites depuis la révolution industrielle, ce qui est derrière l’important réchauffement climatique et l’augmentation du niveau de la mer. Les minéraux argileux sont d'une grande importance pratique, particulièrement dans le stockage du dioxyde de carbone en raison de sa perméabilité hydraulique et sa capacité de conserver les particules mobiles. Nous avons choisi la kaolinite et la montmorillonite comme des prototypes de minéraux argileux de type 1:1 et 2:1. Les méthodes de Monte Carlo (MC) et la dynamique moléculaire (MD) ont été utilisées dans ce travail afin de comprendre le comportement d'adsorption des radionucléides et de dioxyde de carbone à la surface des argiles. Dans cette thèse, nous étudierons d'abord l'adsorption de l’uranyle à la surface de la kaolinite par le biais de la dynamique moléculaire et de la Monte Carlo. Plusieurs sites d'adsorption ont été modélisés en considérant des défauts de surface dans le but d'avoir des complexes inter ou externe-sphère. Ensuite, les adsorptions des particules d'uranyle sur des surfaces de la montmorillonite en présence des différents ions seront effectuées. L'énergie d'interaction entre des feuilles de montmorillonite et le travail d'adhérence entre le radionucléide et surface MMT seront également discutés. Enfin, nous présenterons l’étude du comportement d'adsorption de dioxyde de carbone dans le MMT, en détaillant au passage les propriétés thermodynamiques, structurales et dynamiques. / In order to predict and regulate the environmental impact of human activities such as uranium mining and radioactive waste disposal, it is necessary to understand the behavior of actinides in the environment because their interaction with clay mineral is an important factor to control the migration of radionuclide in the environment. The behavior of actinides in the soil is mainly the surface adsorption interactions, which change the forms of radioactive elements and reduces the mobility of actinides in the natural systems. Therefore, it is important to search how the actinides interact with clay mineral such as the fundamental process of surface precipitation. Uranium is the predominant heavy metal content of the final waste in the nuclear fuel cycle (>95% UO2). In addition, uranium is a major contaminant in the soil, subsurface and groundwater as a result of human activity. Under standard environmental conditions, the most stable chemical form of U(VI) is the uranyl ion UO22+, which is potentially very mobile and readily complexates with organic and inorganic matter. On the other hand, Carbon dioxide is an important greenhouse gas, warming the earth’s surface to a higher temperature by reducing outward radiation. However, problems may occur when the atmospheric concentration of greenhouse gases increases. Amounts of carbon dioxide were produced since the industrial revolution, which is behind the significant global warming and rising sea level. Clay minerals are of great practical importance here, in storage of carbon dioxide due to its hydraulic permeability and ability to retain mobile species. We have chosen kaolinite and montmorillonite as prototypes of clay minerals of 1:1 and 2:1. Classical Monte Carlo (MC) and molecular dynamics (MD) methods have been used in this work in order to understand the adsorption behaviour of radionuclide and carbon dioxide in clays surface. In this thesis, we will investigate –first- the adsorption of uranyl on kaolinite surface by means of Monte Carlo and Molecular Dynamics simulation methods. Several adsorption sites have been modeled by considering surface defects in order to have inner or outer-sphere complexes. Then, the adsorptions of uranyl species onto Montmorillonite surfaces in the presence of different counterions will be performed. Interaction energy between Montmorillonite sheets and work of adhesion between the radionuclide and MMT surface will be discussed as well. Finally, we will study the adsorption behavior of carbon dioxide in MMT, and investigate at the same time thermodynamics, structural and dynamical properties.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre des recherches et vise à contribuer à la compérension du comportement mécanique d’une roche tendre (i.e. cataclastique grès). La roche étudiée se trouve dans une fondation d’un barrage, situé dans le sud-ouest de la chine. L'accent de des travaux réalisés dans cette thèse a concerné le comportement à long terme du matériau étudié.Pour caractériser le comportement mécanique et identifier les principaux paramètres qui le gouvernent, il était nécessaire d’aborder en première lieu avec une approche expérimentale. De nombreux essais ont été réalisé, tel que des essais de compression, des essais de fluage triaxiale et des mesures de perméabilité. On constate que la réponse mécanique du matériau dépends fortement la microstructure et les propriétés mécaniques ainsi que les contraintes appliquées. En se basant sur les résultats expérimentaux, un modèle unifiée est proposé pour décrire le comportement à court terme et à long terme du matériau étudié. Dans le modèle proposé, les principales caractéristiques observées dans les expériences sont prises en compte, en particulier des déformations irréversibles, la dépendance de la pression, la transition volumétrique entre le compaction et la dilatation ainsi que le fluage. La performance du modèle proposé est tout d’abords validé sur les essais homogènes. A la fin, une validation plus poussée de ce modèle a été réalisée dans le cadre d’applications à étudier la performance de la fondation. / The short term and long term mechanical behaviors of cataclastic sandstone are investigated in this dissertation. The studied material is cored from the fault zone in the dam foundation of a hydropower station in southwestern China. The emphasis is put on the long-term behavior of studied material. For this, conventional compression tests, multi-stage triaxial creep tests as well as the permeability measurements are performed. The mechanical behavior of studied rock is derived based on the experimental investigation. The mechanical responses of studied material are not only functions of the material properties, but are also related to applied stress. Based on the experimental investigation, a unified creep model is proposed to describe the instantaneous and time-dependent behavior of cataclastic sandstone. Main features observed in experiments are taken into account, in particular irreversible deformations, pressure dependency, volumetric transition between compaction and dilatancy and creep. The performance of the model is examined by comparing numerical simulations with test data in representative load paths. Finally, the model is applied to analyze the long term stability of a foundation of hydropower station.

Des argilites sont étudiées comme barrières géologiques potentielles pour le stockage des déchets radioactifs. Ce travail est consacré à l’étude expérimentale et à la modélisation du comportement mécanique des argilites de Meuse- Haute Marne avec prise en compte des influences de la saturation, de la composition minéralogique et de la température.Un grand nombre d’études expérimentales ont été effectuées sur le comportement mécanique. Ce travail propose de réaliser de nouvelles expériences pour compléter les données existantes. L’accent est mis sur les influences de la saturation, et la composition minéralogique et de la température. Des essais de micro-indentation et de mini compression sont effectués sur des échantillons de petites tailles sous différentes humidités relatives et températures. Ces essais permettent d’obtenir une meilleure distribution de saturation au sein des échantillons. Les variations des propriétés élastiques et de la résistance mécaniques des argilites sont étudiées en fonction de saturation et de température. Des échantillons provenant de différentes profondeurs sont étudiées et les influences de la composition minéralogique sur les propriétés mécaniques sont mises en évidence.Ce travail propose d’utiliser un modèle micromécanique basé sur une méthode d’homogénéisation non linéaire, ceci afin de prendre en compte des influences de la composition minéralogiques comparant avec des modèles phénoménologiques. L’argilite est schématisée par un matériau à trois phases : la matrice argileuse élastoplastique, des grains de calcite et de quartz élastiques linéaires. Des comparaisons entre les simulations et les données expérimentales sont présentées. / Clayey rocks are largely investigated for the feasibility study of geological storage of radioactive wastes. In that context, the clayey rocks are subjected to solicitations of different origin: stress variation due to cavity excavation, change of water saturation degree (drying and resaturation), variation of temperature due to exothermal wastes, and chemical reaction processes. Therefore, it is necessary to develop coupled THM-C modelling for the short and long term feasibility analysis of geological storage facilities. The present work is devoted to experimental investigation and modelling of mechanical behaviour of Meuse- Haute Marne (MHM) argillites by taking into account influences of saturation, mineralogical composition and temperature.A number of laboratory investigations have been performed for studying mechanical behaviour of MHM argillites. We propose to realize new investigations to extend and complete existing data. The emphasis is put on the influences of saturation and temperature. Micro-indentation and mini compression tests are conducted on small size samples under different values of relative humidity and temperature. Argillite samples from different depth are then investigated and the influences of mineralogical composition on mechanical properties are shown.In the present work, we propose to apply a homogenization-based micromechanical model. Comparing with the macroscopic models, it can describe influences of mineralogical compositions on macroscopic behaviours. The argillites are considered as a three phase composite: clay matrix, calcite and quartz grains. Comparisons between numerical modelling and experimental data will be presented.

L'objectif de la thèse est d'explorer les comportements mécaniques effectifs des matériaux poreux impliqués dans les problèmes de pores ou d'inclusion, avec pour objectif principal d'homogénéiser un matériau aussi hétérogène que possible, plus d'informations de géométrie physique à une échelle donnée. Nous examinons séparément ici quatre microstructures typiques de matériaux ressemblant à des roches couvrant différents constituants: nous avons cherché à déterminer comment la présence de pores et une inclusion de morphologies différentes influent sur les comportements macroscopiques élastiques, débit plastique et dépendant du temps. Un modèle d'homogénéisation par étapes pour les comportements élastoplastiques et viscoplastiques est proposé, basé sur une méthode d'homogénéisation par transformée de Fourier rapide, afin d'améliorer le comportement local depuis la transition à la micro-échelle vers la méso-échelle, puis vers la macroscopie. Une série de simulations est calculée et comparée. Nous portons une attention particulière au comportement anisotrope des matériaux à la fois pore et inclusion configurée à la même échelle et à différentes échelles Nous fournissons une solution de référence pour ce type de matériaux couvrant l’effet des géométries de pores et d’inclusion en raison de la limitation à l’obtention d’un critère analytique. En plus nous proposons un modèle d’endommagement plastique multi-échelle. les comparaisons entre les résultats numériques et les données expérimentales montrent que ce modèle peut bien caractériser son comportement en défaillance avec des micro-structures complexes. / The objective of this thesis aims to explore the effective mechanical behaviors of porous materials involved with pore or inclusion problem. The key point to this problem is to homogenize such a highly heterogeneous material incorporating more physical geometry information at a given scale. In this work, four typical microstructure of rock-like materials are respectively considered here covering different constituents. We sought to determine how the presence of pores and inclusion with different morphologies influence the macroscopic elastic, plastic flow and time-dependent behaviors. For this propose, a two-step homogenization model for elastoplastic and viscoplastic behaviors is proposed based on a Fast Fourier Transform homogenization method to upscale the local behavior from the micro-scale transition to meso-scale and then to macroscale. A series of simulations are computed and compared. Particular attentions are focused on the anisotropic behavior for the materials with both pore and inclusion configured at same and different scales. We provide a reference solution for this kinds of materials covering the effect of pore and inclusion geometries due to a limitation to obtain an analytical criterion. Moreover, we proposed a damage plastic model with multi-scale characters. Comparisons between numerical results and experimental data show that this model can well characterize its failure behavior with complex micro-structures.

Dans ce travail, un nouveau modèle de liaison avec critère de rupture de cisaillement non linéaire est d'abord proposé et mis en œuvre dans PFC pour décrire le comportement mécanique de matériaux granulaires cohésifs isotropes tels que le grès. Un grand nombre de tests de compression ont été effectués sur des échantillons 3D. Les résultats montrent que l'effet de la pression de confinement sur la résistance à la compression et le modèle de rupture est bien décrit par ce modèle de liaison. Les effets du chemin de chargement et de la contrainte principale intermédiaire sur la déformation et la rupture ont également été étudiés. Après avoir étendu les paramètres d'élasticité et de résistance, deux modèles de liaison sont couplés pour caractériser l'anisotropie de la résistance et de la déformation dans les matériaux cohésifs anisotropes tels que les roches sédimentaires. Une série de test de compression avec différents chemin de chargement ont été effectués et les résultats numériques sont en bon accord avec les données expérimentales, en particulier pour les propriétés de réponse élastique et de résistance. La transformation du mode de défaillance entre la couche de faiblesse et la matrice de roche sous différentes pressions de confinement a été bien décrite. De plus, le modèle de liaison proposé a été étendu pour étudier le processus de fracturation hydraulique dans les matériaux cohésifs. Un processus de propagation de fracture hydraulique représentatif a été présenté. Enfin, nous avons développé une méthode de reconstruction dimensionnelle de l'irrégularité de la forme des blocs et étudié ses effets sur les impacts des blocs en utilisant une approche basée sur l'énergie. / In this work, a new bond model with nonlinear shear failure criterion is first proposed and implemented in PFC for describing mechanical behavior of isotropic cohesive granular materials such as sandstone. A large number of compression tests have been performed on 3D samples. The results show that the effect of confining pressure on compressive strength and failure pattern is well described by the proposed bond model. Effects of loading path and the intermediate principal stress on deformation and failure have been also investigated. After further extending parameters on elastic and strength, two bond models: the proposed bond model and the improved smooth joint model, are coupled to character the anisotropy of strength and deformation in anisotropic cohesive materials such as sedimentary rocks. A series of conventional triaxial compression tests with different loading paths have been performed and numerical results are in good agreement with experimental data, especially for elastic response and strength properties. The failure mode transformation between weakness layer and rock matrix under different confining pressures has been well described. Furthermore, the proposed bond model has been extended to study hydraulic fracturing process in cohesive materials. A representative hydraulic fracture propagation process has been presented. Influences of different factors, such as confining pressure, fluid viscosity and fluid injection rate, on hydraulic fracture extension have been investigated. Finally, we have developed a dimensional reconstruction method of block shape irregularity and studied its effects on block impacts using an energy based approach.

L’objectif de ce travail est d’étudier l’effet des fissures de dessiccation sur le comportement thermo-hydro-mécanique des sols argileux sensibles au phénomène de retrait. Ce travail inclut une étude expérimentale caractérisant l’influence des fissures sur le séchage des sols fins ainsi qu’une étude numérique comprenant une modélisation du processus dans le but de présenter l’impact des fissures sur le comportement thermo-hydrique d’un milieu argileux non saturé. L’étude expérimentale comprend des expériences de séchage réalisée en laboratoire sur des échantillons de sol intacts et fissurés où l’évolution de la teneur en eau a été suivie. Les processus liés la formation de nouvelles fissures ainsi qu’à la propagation des fissures sont aussi discutés.Une modélisation numérique du processus de fissuration des sols fins est ensuite présentée. Dans cette étude, une analyse détaillée de l’influence des fissures sur l’interaction sol-atmosphère est présentée. Un modèle numérique bidimensionnel de l’interaction sol- atmosphère tenant compte de la présence des fissures a été développé. Ce modèle prend en compte le couplage thermo-hydrique d’un milieu argileux non saturé. Dans cette étude, on a montré l’impact des fissures sur le développement de la succion, sur la variation de la teneur en eau ainsi que sur la valeur d’entrée de l’air. L’influence des fissures sur l’évolution du tassement du sol est également présentée. Cette étude propose aussi une approche simple pour la prise en compte des fissures dans l’interaction sol-atmosphère.Dans la dernière partie de ce travail, l’influence des fissures sur le comportement mécanique des sols fins est présentée et discutée. / The objective of this work is to study the effect of desiccation cracks on the thermo-hydro-mechanical behavior of clayey soils.The study includes an experimental study to characterize the influence of cracks on the drying process of clay samples and a numerical study in order to present the impact of cracks on the soil-atmosphere interaction.In the first phase of this study, an experimental work performed in the laboratory to characterize the influence of cracks on drying soil was conducted. Drying tests were conducted on samples of intact and cracked soil where the evolution of the water content and cracking due to drying were monitored. In the second phase of this study, the influence of cracks on the thermo-hydro-mechanical behaviour of clayey soil is presented. A two-dimensional numerical model of soil-atmosphere interaction has been developed considering the presence of cracks. The model takes into account the thermo- fluid coupling of an unsaturated clay soil.The model is used to simulate the evolution of evaporation during the drying process. It shows the impact of cracks on the suction development and water content evolution as well as the air entry value. This study also proposes a simple approach to the consideration of cracks in the soil-atmosphere interaction. In the last part of this work, the influence of cracks on the mechanical behaviour of fine soils is presented and discussed.

Μηχανική συμπεριφορά και φαινόμενα ερπυσμού σε μαλακά αργιλικής σύστασης πετρώματα κάτω από συνθήκες σταθερής φόρτισης. / Rock creep at clays under conditions of high strength.

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