Cette étude est consacrée au comportement transitoire des cavités salines profondes. Dans la littérature, les auteurs se sont surtout intéressés au calcul du comportement des cavités salines sous chargement constant ou cyclique et à l'analyse du comportement d'éprouvettes de laboratoire en régime transitoire. Dans cette étude, on s'intéresse aux conséquences de ce dernier pour le comportement des cavités salines. Ainsi, on montre qu'une cavité est un système complexe, siège d'évolutions mécanique, thermique, chimique et hydraulique. L'importance des évolutions transitoires, notamment le rôle du fluage inverse dans l'interprétation de l'essai d'étanchéité dans une cavité saline, est mis en évidence. On caractérise le fluage par une formulation de la loi de c! omportement qui présente l'avantage, d'un point de vue pratique, de ne comporter qu'un nombre réduit de paramètres tout en rendant compte de l'essentiel de ce qui est observé en place. On discute l'apparition de la rupture en traction effective dans une cavité saline soumise à un accroissement rapide de la pression. On développe également un modèle adapté au comportement à très long terme (après abandon). Là aussi un grand nombre de phénomènes, plus ou moins couplés, interviennent, alors que la littérature existante n'en prenait en général en compte que quelques uns, ce qui pouvait conduire à une interprétation inexacte des résultats d'essais d'abandon effectués in situ.

Dans le cadre d’un programme de recherche mené par le GISOS (Groupement d’Intérêt Scientifique de Recherche sur l’Impact et la Sécurité des Ouvrages Souterrains), le site pilote de Cerville-Buissoncourt (Lorraine, France) a fait l’objet d’une importante instrumentation géophysique et géotechnique pour assurer la surveillance d’une cavité saline à 200 m de profondeur, depuis son état stationnaire jusqu’à l’effondrement des terrains du recouvrement. Les objectifs principaux de cette thèse consistaient à : 1) valider la technique de surveillance basée sur l’écoute microsismique dans un contexte salin, et 2) modéliser numériquement le comportement mécanique complexe du recouvrement, particulièrement l’initiation des microfissures et leur propagation. L’analyse de la sismicité induite enregistrée a permis de caractériser l’état initial de la cavité en terme d’activité microsismique. Deux types d’événements ont été identifiés : les événements isolés correspondant aux ruptures localisées, et les événements en rafale, d’une dizaine de secondes de durée. D’après les résultats de localisation d’hypocentres, la totalité de la sismicité enregistrée est générée au niveau de la cavité dans le gisement de sel, ou bien dans les faciès marneux qui composent le toit immédiat de la cavité actuelle. Les déclenchements en rafale seraient liés à des phénomènes de délitement puis de décrochement de blocs de marne, suivis des chutes de blocs dans la cavité remplie de saumure. Le travail de modélisation numérique a été focalisé sur la possibilité de rendre compte de l’endommagement dans les couches fragiles du recouvrement. Nous avons mis en oeuvre un modèle géomécanique hybride à l’échelle du site pilote qui intègre les différentes formations géologiques présentes dans le recouvrement, ainsi que l’initiation, la propagation et la coalescence des microfissures dans le banc raide, à l’aide des logiciels FLAC et PFC2D. La calibration du modèle discret PFC2D pour reproduire le comportement en traction du banc raide a été vérifiée numériquement à l’échelle du site pilote. Cette vérification a été basée sur la comparaison, en termes de la réponse élastique et d’apparition des ruptures dans le banc raide, entre l’approche hybride FLACPFC 2D et la modélisation purement continue avec FLAC. Le modèle hybride ainsi défini pourra être utilisé dans le cadre d’une retro-analyse une fois que les mesures in-situ, notamment les enregistrements microsismiques et les données de déformation, seront disponibles à Cerville-Buissoncourt / Within the framework of a research program carried out by the GISOS (Scientific Grouping of Research Interest on the Impact and Safety of Underground Works), the pilot site of Cerville-Buissoncourt (Lorraine, France) was the subject of a large geophysical and geotechnical instrumentation to ensure the monitoring of a salt cavity at 200 m depth, from its stationary state to the final overburden collapse. The main objectives of this work consisted on : 1) the validation of the microseismic monitoring technique in a salt mine environment, and 2) the numerical modelling of the mechanical behavior of the overburden, particularly the initiation and the propagation of microcracks. The analysis of the recorded induced seismicity allowed to characterize the initial state of the cavity in terms of microseismic activity. Two types of events were identified : isolated events corresponding to localized ruptures, and swarms of events, of tens of seconds of duration. According to hypocenter location results, the totality of the recorded seismicity is generated either in the cavity surroundings within the salt layer, or in the marly facies of the current cavity roof. Swarms would be related to delamination of clayley marls in the immediate roof, followed by rock debris falling in the brine filled cavity. The numerical modelling was focused on the possibility of accounting for the damage in the fragile layers of the overburden. We implemented a hybrid geomechanical model of the pilot site which integrates the various geological formations present in the overburden, as well as the initiation, the propagation and the coalescence of microcracks in the stiff layer, using FLAC and PFC2D softwares. The calibration of the discrete PFC2D model to reproduce the tensile behaviour of the stiff layer was numerically checked on the site scale. The validation was based on the comparison, in terms of the elastic response and the damage onset in the stiff layer, between the hybrid approach FLAC-PFC2D and the purely continuous modelling using FLAC. The hybrid model thus defined would be used for back-analysis studies once in-situ measurements, in particular microseismic recordings and deformation data, will be available at Cerville-Buissoncourt

L'étude des signes précurseurs d'un effondrement brutal au-dessus de cavités souterraines, dont le recouvrement est caractérisé par la présence d'un banc massif et raide, est un problème majeur pour la sécurité publique. Aussi, pour progresser dans la compréhension et l'évolution des mécanismes mis en jeu, une cavité saline, située dans le NE de la France, a été suivie en temps réel, entre 2004 et 2009, jusqu'à son effondrement. Celle-ci a été exploitée par dissolution, jusqu'à atteindre une dimension critique (de l'ordre de 180 m) sous un recouvrement de 180 m, armé d'un banc raide de Dolomie situé à 120 m de profondeur.Un système de mesures multi-paramètres haute résolution visait à caractériser les signes précurseurs ainsi qu'à suivre l'effondrement lui-même. Il comprenait des dispositifs à la fois géotechniques et géophysiques, dont des mesures de nivellement de surface et un réseau permanent d'écoute microsismique. Ce dernier, dont les données font l'objet principal de cette thèse, était constitué de neuf sondes équipées de géophones 40 Hz (5 unidirectionnels et 4 tridirectionnels), réparties autour et à l'aplomb de la cavité, dont une dans le banc raide.L'évolution de la cavité a été marquée par deux épisodes majeurs d'activité microsismique :- au printemps 2008, la reprise de la dissolution dans la cavité a engendré l'apparition de crises répétées avec plusieurs milliers d'événements en quelques jours, traduisant un changement de régime microsismique, marqueur de l'instabilité de la cavité ;- en février 2009, suite à ces observations, l'exploitant a décidé de provoquer l'effondrement, par le rabattement intensif de saumure dans la cavité. Pendant les trois jours d'opération, plus de 30000 événements ont été enregistrés (sur 60000 depuis 2004).L'étude de la signature des événements apporte des renseignements essentiels pour la surveillance opérationnelle et la discrimination de ces deux périodes. En particulier, alors que les valeurs maximales atteintes en amplitude, énergie au capteur et fréquence fondamentale apparente, sont assez stables au cours des crises, les sauts marqués durant l'effondrement, permettent de présumer de son imminence. L'évolution de la distribution des microséismes en termes d'énergie libérée et d'occurrence, calculée de manière similaire à la loi de Gutenberg-Richter, bien que souvent difficile à interpréter, a pu être associée à des hausses du niveau piézométrique, ainsi qu'à de petites accélérations de l'affaissement mesuré en surface. Pendant la période d'effondrement, le nombre d'événements microsismiques augmente en suivant une loi en puissance.La localisation des microséismes a nécessité la mise en place d'une stratégie adaptée pour garantir la qualité et l'homogénéité des résultats (sélection des enregistrements, calibrage, étude paramétrique).Cependant, l'utilisation d'un modèle de vitesse constant sur toute la période s'est révélé impossible, compte tenu de l'évolution rapide et permanente du milieu. Il a donc été entrepris d'établir des modèles de vitesse différents en fonction des périodes d'évolution de la cavité.Les distributions spatio-temporelles des foyers ainsi localisés montrent l'existence de structures préférentielles de rupture et souligne le rôle majeur du banc raide.Croisées avec les autres mesures acquises sur le site, ces résultats ont permis d'établir un scénario probable d'évolution de la cavité et de proposer quelques recommandations pour la surveillance opérationnelle / The study of the precursory signs of a brutal collapse above underground caverns, with an overburden characterized by the presence of a massive and stiff bench, is a major problem for public safety. Thus, to progress in the comprehension and the evolution of the concerned mechanisms, a salt cavern, located in the NE France, was monitored in real-time, since 2004 to 2009, until its collapse. This cavern was mined by solution, until reaching its critical dimension (about 180 m) under a covering of 180 m thick, armed with a stiff Dolomite bench located at 120 m of depth.A multi-parameter high resolution monitoring system aimed at characterizing the precursory signs and following collapse itself. It included both geotechnical and geophysical devices as surface leveling measurements and a permanent microseismic network. This one, which data are the principal subject of this thesis, consisted in nine probes equipped with 40 Hz geophones (5 1D and 4 3D), distributed around and directly below the cavern, including one located in the stiff bench.The evolution of the cavern was marked by two major episodes of microseismic activity:- at the beginning of spring 2008, the dissolution restart in the cavern which caused repeated crisis with several thousand events in a few days, this represent a change in the microseismic regime and marked the cavern instability;- in February 2009, following these observations, the owner decided to trigger the collapse by intensive brine pumping in the cavern. During the three days of the operation, more than 30,000 events were recorded (against 60,000 since 2004).The study of the event signature provides essential information for operational monitoring and the discrimination of these two periods. Particularly, while maximal values reached in amplitude, energy and apparent fundamental frequency are quite stable during the 2008 episodes, the rises of this values are important during the collapse period (prior to the peak of activity), allowed us to suppose its imminence. The evolution of the microseism distribution in terms of energy released and occurrence, calculated similarly to the Gutenberg-Richter law, although often difficult to interpret, has been associated with piezometric level rises, and with small accelerations of surface subsidence. During the collapse, the microseismic activity acceleration follows a power law.Microseisms location required the establishment of an appropriate strategy to ensure the quality and the consistency of the results (record selection, calibration, parametric analysis). However, the use of a constant velocity model over all the period was impossible due to the fast and permanent evolution of the environment. Thus, several models were used, according to the a priori known cavern evolution.The event spatiotemporal distributions, thus located, revealed the existence of preferential failure structures and highlight the role of the stiff bench, located at 120 m depth