Durant les différentes phases du stockage profond des déchets radio-actifs exothermiques (excavation, exploitation) jusqu'à la fermeture définitive, la roche hôte sera soumise à des sollicitations mécaniques, hydriques et thermiques couplées. Afin de connaître et de modéliser le comportement à court et long terme des dispositifs de stockage, une investigation approfondie du comportement de la roche est nécessaire afin de compléter les données existantes. C'est dans ce but que cette étude du comportement thermo-hydro-mécanique de la formation argileuse du Callovo-Oxfordien (COx) considérée par l'ANDRA comme roche hôte potentielle, a été développée. Dans un premier temps le comportement en compression-gonflement de l'argilite du COx a été étudié par la réalisation d'un programme d'essais oedométriques haute pression. Les résultats, interprétés en termes de couplage endommagement-gonflement, ont montré que l'ampleur du gonflement était lié à la densité de fissuration engendrée lors de la compression. Dans un second temps, le comportement hydromécanique et thermo-hydro-mécanique de l'argilite saturée sous une contrainte moyenne proche de l'in-situ a été étudié à l'aide de cellules à faible chemin de drainage (10 mm), dont une cellule isotrope et une cellule triaxiale à cylindre creux avec mesures locales d'un type nouveau. Ces appareils ont permis de résoudre deux problèmes difficiles typiques des argilites de très faible perméabilité : i) une saturation préalable correcte, attestée par de bonnes valeurs du coefficient de Skempton et ii) de bonnes conditions de drainage. Les paramètres caractéristiques du comportement de l'argilite à température ambiante (coefficients de Skempton et de Biot, compressibilité drainée et non-drainée) ont été déterminés à partir d'essais de compression isotrope qui ont également confirmé l'isotropie transverse du matériau. La cohérence des paramètres obtenus a été vérifiée dans un cadre poro-élastique saturé. Deux aspects du comportement thermo-hydro-mécanique de l'argilite du COx ont été étudiés à l'aide d'essais de chauffage et de compression volumique en température (80°C) : les effets de la température sur le comportement intrinsèque de l'argilite et le phénomène de pressurisation thermique. Un essai de chauffage drainé sous contrainte in-situ a mis en évidence, apparemment pour la première fois, un comportement plastique contractant de l'argilite (comme les argiles normalement consolidées), non pris en compte dans les modélisations thermo-élastiques actuelles des systèmes de stockage profond. Un autre élément nouveau et important observé est l'augmentation de la compressibilité avec la température, à la différence des argiles. L'étude de la pressurisation thermique (engendrée par la faible perméabilité de l'argilite et la forte différence entre les coefficients de dilatation thermique de l'eau et de la phase solide), a été réalisée à l'aide d'essais de chauffage non drainés, suite à une analyse détaillée des effets perturbateurs du système de mesure lors de variations de pression et de température (peut-être à considérer également dans les mesures in-situ). Le coefficient de pressurisation thermique s'est révélé être très sensible aux variations de température et de contrainte, il diminue de 0,14 à 0,1 MPa/°C entre 25 et 80°C. La nature des différentes réponses hydro-mécaniques et thermo-hydro-mécaniques obtenues au cours de ce travail permettront une interprétation et une modélisation plus précises du comportement du massif d'argilite autour des galeries, dans des zones qui sont pour la plupart saturées, sauf à proximité immédiate des galeries (quelques décimètres)

Le travail réalisé durant cette thèse a été motivé par l'étude des mécanismes microscopiques à l'origine du fluage dans les matériaux granulaires.%En particulier, on cherche à explorer des techniques expérimentales et numériques pour l'étude d'un tel phénomène.Dans une première partie, on cherche à mesurer les déplacements des grains dans un matériau granulaire par observations en micro-tomographie X. Une telle identification ne peut être efficacement réalisée pour des phénomènes rapides avec les méthodes classiques de corrélation d'images numériques. Une nouvelle méthode nommée emph{corrélation discrète des projections numériques} qui contourne cette difficulté est développée dans cette thèse. Cette méthode, basée sur la corrélation des projections de tomographie, permet de mesurer les déplacements avec un nombre réduit de projections (100 fois moins que les méthodes classiques), ce qui diminue énormément le temps d'acquisition nécessaire pour la mesure. La méthode, appliquée à des données expérimentales, donne une précision comparable à celles des méthodes classiques tandis que le temps d'acquisition nécessaire est réduit à quelques minutes. Une étude portant sur l'analyse des sources d'erreurs affectant la précision des résultats est également présentée.Le but de la deuxième partie est de réaliser des simulations numériques pour fournir une caractérisation de l'essai oedométrique. Différents assemblages de billes de verre légèrement poly-disperses interagissant à travers des contacts élastiques de Hertz-Mindlin et frottement de Coulomb ont été utilisés. Ces simulations ont permis d'étudier l'évolution de certains paramètres structuraux du matériau modèle, préparant ainsi le terrain pour de futures études sur le fluage. Il a été particulièrement souligné que les contacts élastiques utilisés dans ces simulations ne reproduisent pas l'irréversibilité des déformations observée dans les expériences sur des sables. Cependant, l'irréversibilité est bien visible sur le nombre de coordination et l'anisotropie. Alors que les paramètres élastiques peuvent exprimer la réponse pour des petits incréments de déformations, la compression oedometrique est belle et bien anélastique, principalement à cause de la mobilisation du frottement. Le rapport entre les contraintes horizontales et verticales (coefficient du sol au repos) n'est particulièrement constant que lorsque l'anisotropie de structure est instaurée dans l'état initial de l'assemblage. Il est par ailleurs relié à l'anisotropie interne de la structure par une formule simple. Finalement, les coefficients du tenseur élastique dépendent principalement du nombre de coordination et son anisotropie est plus liée à l'anisotropie des contacts qu'à celle des forces / The present work is motivated by the study of creep in granular materials at the microscopic scale.The first part of this thesis deals with displacement measurements by microtomography. Classical digital image correlation fails to catch time-dependent (possibly fast) phenomena such as short-term creep. A new method named emph{Discrete Digital Projection Correlation} is developed to overcome this limitation. This method requires very few projections (about 100 times less than classical methods) of the deformed state to perform the correlation and retrieve grain displacements. Therefore, the acquisition time is remarkably reduced, which allows to study time-dependent phenomena.The method is tested on experimental data. While its accuracy compares favorably to that of conventional methods, it only requires acquisition times of a few minutes. The origins of measurement errors are tracked by numerical means, on simulated grain displacements and rotations.The second part is a numerical simulation study, by the Discrete Element Method (DEM), of oedometric compression in model granular materials, carried out with a simple model material: assemblies of slightly polydisperse spherical beads interacting by Hertz-Mindlin contact elasticity and Coulomb friction. A wide variety of initial states are subject to compression, differing in density, coordination number and fabric anisotropy. Despite apparently almost reversible strains, oedometric compression proves an essentially anelastic and irreversible process,due to friction, with important internal state changes affecting coordination number and anisotropy. Elastic moduli only describe the response to very small stress increments about well equilibrated configurations. The ratio of horizontal stress to vertical stress (or coefficient of earth pressure at rest, commonly investigated in soil mechanics) only remains constant for initially anisotropic assemblies. A simple formula relates it to force and fabric anisotropy parameters, while elastic moduli are mainly sensitive to the latter. Further studies of contact network instabilities and rearrangements should pave the way to numerical investigations of creep behavior

Durant les différentes phases du stockage profond des déchets radio-actifs exothermiques (excavation, exploitation) jusqu'à la fermeture définitive, la roche hôte sera soumise à des sollicitations mécaniques, hydriques et thermiques couplées. Afin de connaître et de modéliser le comportement à court et long terme des dispositifs de stockage, une investigation approfondie du comportement de la roche est nécessaire afin de compléter les données existantes. C'est dans ce but que cette étude du comportement thermo-hydro-mécanique de la formation argileuse du Callovo-Oxfordien (COx) considérée par l'ANDRA comme roche hôte potentielle, a été développée. Dans un premier temps le comportement en compression–gonflement de l'argilite du COx a été étudié par la réalisation d'un programme d'essais oedométriques haute pression. Les résultats, interprétés en termes de couplage endommagement-gonflement, ont montré que l'ampleur du gonflement était lié à la densité de fissuration engendrée lors de la compression. Dans un second temps, le comportement hydromécanique et thermo-hydro-mécanique de l'argilite saturée sous une contrainte moyenne proche de l'in-situ a été étudié à l'aide de cellules à faible chemin de drainage (10 mm), dont une cellule isotrope et une cellule triaxiale à cylindre creux avec mesures locales d'un type nouveau. Ces appareils ont permis de résoudre deux problèmes difficiles typiques des argilites de très faible perméabilité : i) une saturation préalable correcte, attestée par de bonnes valeurs du coefficient de Skempton et ii) de bonnes conditions de drainage. Les paramètres caractéristiques du comportement de l'argilite à température ambiante (coefficients de Skempton et de Biot, compressibilité drainée et non-drainée) ont été déterminés à partir d'essais de compression isotrope qui ont également confirmé l'isotropie transverse du matériau. La cohérence des paramètres obtenus a été vérifiée dans un cadre poro-élastique saturé. Deux aspects du comportement thermo-hydro-mécanique de l'argilite du COx ont été étudiés à l'aide d'essais de chauffage et de compression volumique en température (80°C) : les effets de la température sur le comportement intrinsèque de l'argilite et le phénomène de pressurisation thermique. Un essai de chauffage drainé sous contrainte in-situ a mis en évidence, apparemment pour la première fois, un comportement plastique contractant de l'argilite (comme les argiles normalement consolidées), non pris en compte dans les modélisations thermo-élastiques actuelles des systèmes de stockage profond. Un autre élément nouveau et important observé est l'augmentation de la compressibilité avec la température, à la différence des argiles. L'étude de la pressurisation thermique (engendrée par la faible perméabilité de l'argilite et la forte différence entre les coefficients de dilatation thermique de l'eau et de la phase solide), a été réalisée à l'aide d'essais de chauffage non drainés, suite à une analyse détaillée des effets perturbateurs du système de mesure lors de variations de pression et de température (peut-être à considérer également dans les mesures in-situ). Le coefficient de pressurisation thermique s'est révélé être très sensible aux variations de température et de contrainte, il diminue de 0,14 à 0,1 MPa/°C entre 25 et 80°C. La nature des différentes réponses hydro-mécaniques et thermo-hydro-mécaniques obtenues au cours de ce travail permettront une interprétation et une modélisation plus précises du comportement du massif d'argilite autour des galeries, dans des zones qui sont pour la plupart saturées, sauf à proximité immédiate des galeries (quelques décimètres) / During the different phases of the exothermic radioactive waste deep disposal (excavation, operation) and after permanent closure, the host rock is submitted to various coupled mechanical, hydraulic and thermal phenomena. Hence, a thorough investigation of the thermo-hydro-mechanical behaviour of the rock is necessary to complete existing data and to better understand and model the short and long term behaviour of the Callovo-Oxfordian (COx) clay formation in Bure (Meuse/Haute-Marne - M/HM), considered by ANDRA as a potential host rock in France.In this work, the compression – swelling behaviour of the COx claystone was first investigated by carrying out a series of high-pressure oedometric tests. The results, interpreted in terms of coupling between damage and swelling, showed that the magnitude of swelling was linked to the density of the fissures created during compression. In a second step, the hydromechanical and thermo-hydro-mechanical behaviour of the saturated claystone under a mean stress close to the in situ one were investigated by using two devices with short drainage path (10 mm), namely a isotropic cell and a newly designed hollow cylinder triaxial cell with local displacement measurements. These devices helped to solve two majors problems related to testing very low permeability materials : i) a satisfactory previous sample saturation (indicated by good Skempton values) and ii) satisfactory drainage conditions. Some typical constitutive parameters (Skempton and Biot's coefficients, drained and undrained compressibility coefficients) have been determined at ambient temperature through isotropic compression tests that also confirmed the transverse isotropy of the claystone. The consistency of the obtained parameters has been checked in a saturated poroelastic framework. Two aspects of the thermo-hydro-mechanical behaviour of the COx claystone have then been investigated through different heating tests and through drained and undrained isotropic compression tests at elevated temperature (80°C) : the effects of temperature on the behaviour of claystone and thermal pressurization. A drained heating test under in-situ stress conditions evidenced, probably for first time, a plastic contractant response of the claystone (like normally consolidated clays), a feature not considered in the presently conducted numerical modelling of deep disposal systems. Another new important observed feature is the increase in drained compressibility of the COx claystone with temperature, not observed in clays. The investigation of thermal pressurization (caused by the low claystone permeability and by the significant difference in thermal expansion between water and the solid phase) has been carried out by means of undrained heating tests, after a detailed analysis of the major effects of the measurement system (which should perhaps be also analyzed when performing in-situ measurements). The thermal pressurization coefficient appeared to be quite sensitive to changes in temperature and stress, it decreased between 0.14 and 0.1 MPa/°C between 25 and 80°C. It is believed that the different thermo-hydro-mechanical volumetric responses obtained here allow a better interpretation and modelling of the behaviour of the claystone formation around the galleries in areas that are mostly saturated, except close to the galleries (a few decimetres)

L’Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (l’Andra) en France propose un nouveau type de voussoirs de tunnel pour les ouvrages très profonds. Pour éviter des segments de tunnel trop épais, ils proposent d’intégrer une couche de matériau granulaire sur l’extrados d’un voussoir moins épais. Cette approche prétend utiliser la grande compressilibité de la couche granulaire constituée de particules broyables et les transferts de charge interne au matériau granulaire pour réduire l’épaisseur du voussoir tout en gardant des performances mécaniques importantes. Un segment de tunnel avec une telle conception est appelé un VMC monobloc compressible (brevet en instance de l’Andra & CMC). Il s’agit d’un nouveau type de revêtement de tunnel particulièrement innovant.Cette thèse est consacrée à la création d’un modèle numérique capable de reproduire le comportement mécanique d’un couche granulaire très compressible à l’aide de la méthode aux éléments discrets (DEM) en 3D. Le milieu granulaire est constitué de particules d’argile cylindriques creuses appelées textitcoques. Chaque coque est un tube de 2 cm de long avec un diamètre de 2 cm. La faible épaisseur de la coque cylindrique la rend essentiellement constituée de vide entourée d’une fine couche d’argile. Dans le modèle, un cluster sécable (la coque) est généré à l’aide de clumps sphéro-polyédriques allon- gées . Ces clumps, appelés secteurs, sont associés entre eux en utilisant deux lois de contact adhésives. Si la combinaison des forces de contact normales et tangentielles satisfait un critère de charge spécifique, la coque se casse au niveau de l’interface entre les deux secteurs. L’outil DEM Rockable mis au point pour cette recherche peut fonctionner sur ces particules fragiles. Les propriétés mécaniques des coques, composé de 12 à 24 secteurs, sont ajustées à l’aide d’essais de compression radiale uniaxiale (verticale). Les expériences à l’échelle du grain sur les coques en argile cuite ont servi de référence. Nous avons déterminé la plage réelle de rupture et sa distribution statistique (Weibull). Les paramètres numériques et mécanique ainsi obtenus ont été validés avec succès dans le cas de la compression radiale d’une coque contrainte latéralement.Dans un premier temps, l’étude des assemblages de coques porte sur la caractérisation expérimen- tale des échantillons avec un controle sur les variables d’état initiales telles que la densité et l’orienta- tions des coques. La reconstruction 3D à partir de tomographies à rayons X d’échantillons de coques carottés dans l’extrados d’un voussoir nous a permis de caractériser l’anisotropie de l’orientation des particules. Il s’agit là d’une information précieuse pour la génération d’échantillons numériques ayant les caractéristiques initiales pertinentes. Deuxièmement, des simulations DEM de compressions oedo- métriques sur des échantillons de ⟨2 000⟩ coques sont réalisées. Une étude paramétrique permet de mettre en évidence le rôle des variables d’état initiales. Un ensemble bien choisi de variables initiales et des paramètres DEM correctement adaptés permettent d’obtenir des simulations prédictives pertinentes pour une comparaison avec les expériences de laboratoire. Une analyse micro-mécanique de l’effet de la proportion des grains cassés sur les contraintes locales exercées sur les coques (et les fragments) est effectuée. Il est observé que la rupture des coques entraîné une compressibilité élevée du matériau. Par conséquent, la réponse mécanique en déformation est considérée comme une conséquence directe de l’évolution de la rupture des particules. Pour finir, un modèle analytique de prédiction de la re- lation Contrainte↔Déformation est proposé dans le cas de la compression oedométrique. Ce modèle prédictif tient compte des variables internes du milieu granulaire comme la résistance mécanique en compression des coques. / The National Agency for Radioactive Waste Management (FR Andra) in France suggested a new way to design a tunnel lining, especially, beneficial in the case of very deep tunnels. To avoid very thick tunnel segments, they propose to integrate a layer of granular material on the extrados of the thinner lining. This approach takes the advantages of the compressible capacity of the crushable particles and the load transfer in the granular material. A tunnel segment with such design is called a Mono-block Compressible Arch-segment VMC (Andra’s & CMC’s pending patent) and is an innovative new type of tunnel linings.This PhD dissertation is dedicated to the creation of a numerical model capable of reproducing the mechanical behaviour of this compressible granular layer using 3D Discrete Element Method (DEM). The granular packing is made of the brittle hollow coarse-size cylindrical particles, called shells. Each shell is a 2 cm long tube with a diameter of 2 cm. Its small thickness makes the cylindrical shell mainly made of void surrounded by a thin layer of clay. In the model, a breakable cluster (shell) is generated using sphero-polyhedral elongated clumps. These clumps, called sectors, are glued together using two adhesive contact force laws. If the combination of the normal and tangential contact forces exceeds a suitable failure criterion, a de-clustering of the shell (breakage) occurs. The DEM tool Rockable devel- oped for this research can operate on such crushable particles. The mechanical properties of the shell model, composed of 12 to 24 sectors, are adjusted in the case of a uniaxial (vertical) radial compres- sion of shells. The preceding grain-scale experiments on the true shells made of baked clay serve as a reference. We determine the true range of the failure tensile load and its statistical Weibull distribu- tion. The user-specified parameters is then successfully validated in the case of radial compression of a horizontally constrained shell.Firstly, the macroscopic study of shell assemblies focuses on the experimental characterisation of the samples with a control of the initial state variables like a number density and a spatial arrangement of shells (shells orientations). 3D reconstruction from X-ray tomographies of the original coated shells samples extracted from the extrados of a tunnel segment help us to characterise the anisotropy of the shells orientation. This is a piece of valuable information to the generation the numerical samples of shells with relevant initial features. Secondly, a series of DEM oedometric tests on ⟨1 000 : 2 000⟩ shells is simulated. A parametric study successfully leads to the understanding of each internal state variable role. A well-chosen set of initial variables with properly adapted DEM parameters give the relevant predictive simulations for a final comparison with the experimental oedometer tests. Thanks to a discrete insight into the micromechanics, the evolutions of the breakage level, the orientation anisotropy and the local stresses exerted on the shells (and/or the fragments) are quantified during the compression. The breakage of the shells result in high compressibility of the material. Therefore, the mechanical response is seen as a consequence of the breakage evolution. Finally, an analytical model is suggested in order to predict the Stress↔Void ratio relationship knowing the initial state of the sample and the tensile strength of the constituents: the shells.