La perméabilité des roches est fortement influencée par la présence de fractures car ces dernières constituent un chemin préférentiel pour l’écoulement des fluides. Ainsi la présence de fractures naturelles est un facteur déterminant pour la productivité d’un réservoir. Dans le cas de roches à faible conductivité, des techniques de stimulation telle que la fracturation hydraulique sont utilisées pour en augmenter la perméabilité et rendre le réservoir exploitable d’un point de vue économique. A l’inverse, dans le cas du stockage géologique, la présence de fractures dans la roche représente un danger dans la mesure où elle facilite le transport et la migration des espèces disséminées dans la roche. Pour le stockage de CO2, les fuites par les fractures présentes dans les couvertures du réservoir et la réactivation des failles constituent un risque majeur. Et en ce qui concerne le stockage géologique de déchets radioactifs, la circulation de fluide dans des réseaux de fractures nouvelles ou réactivées au voisinage de la zone de stockage peut aboutir à la migration de matériaux nocifs. Il est donc important de prévoir les effets de la présence de fractures dans un réservoir. Le but de cette thèse est le développement d’un outil numérique pour la simulation d’un réseau de fractures et de son évolution sous sollicitation hydro-mécanique. Grâce à sa commodité, la méthode des éléments finis étendue (XFEM) sera retenue et associée à un modèle de zone cohésive. La méthode XFEM permet en effet l’introduction de fissures dans le modèle sans nécessairement remailler en cas de propagation des fissures. L’écoulement du fluide dans la fissure et les échanges de fluide entre la fissure et le milieu poreux seront pris en compte via un couplage hydro-mécanique. Le modèle est validé avec une solution analytique asymptotique pour la propagation d’une fracture hydraulique plane dans un milieu poroélastique en 2D comme en 3D. Puis, nous étudions la propagation de fractures hydrauliques sur trajets inconnus. Les fissures sont initialement introduites comme des surfaces de fissuration potentielles étendues. Le modèle de zone cohésive sépare naturellement les domaines adhérents et ouverts. Les surfaces potentielles de fissuration sont alors actualisées de manière implicite par un post-traitement de l’état cohésif. Divers exemples de réorientation de fissures hydrauliques et de compétition entre fissures voisines sont analysés. Enfin, nous présentons l’extension du modèle aux jonctions de fractures hydrauliques / The permeability of rocks is widely affected by the presence of fractures as it establishes prevailing paths for the fluid flow. Natural cracks are then a critical factor for a reservoir productiveness. For low permeability rocks, stimulation techniques such as hydrofracturing have been experienced to enhance the permeability, so that the reservoir becomes profitable. In the opposite, when it comes to geological storage, the presence of cracks constitutes a major issue since it encourages the leak and migration of the material spread in the rock. In the case of CO2 storage, the scenario of leakage across the reservoir seal through cracks or revived faults is a matter of great concern. And as for nuclear waste storage, the fluid circulation in a fracture network around the storage cavity can obviously lead to the migration of toxic materials. It is then crucial to predict the effects of the presence of cracks in a reservoir. The main purpose of this work is the design of a numerical tool to simulate a crack network and its evolution under hydromechanical loading. To achieve this goal we chose the eXtended Finite Element Method (XFEM) for its convenience, and a cohesive zone model to handle the crack tip area. The XFEM is a meshfree method that allows us to introduce cracks in the model without necessarily remeshing in case of crack propagation. The fluid flow in the crack as well as the exchanges between the porous rock and the crack are accounted for through an hydro-mechanical coupling. The model is validated with an analytical asymptotic solution for the propagation of a plane hydraulic fracture in a poroelastic media, in 2D as well as in 3D. Then we study the propagation of hydraulic fractures on non predefined paths. The cracks are initially introduced as large potential crack surfaces so that the cohesive law will naturally separate adherent and debonding zones. The potential crack surfaces are then updated based on a directional criterion appealing to cohesive integrals only. Several examples of crack reorientation and competition between nearby cracks are presented. Finally, we extend our model to account for the presence of fracture junctions

Le présent travail montre la modélisation constitutive d'un géomatériau composé d'une matrice poreuse saturée et déformable contenant une distribution périodique de fissures évolutives remplies de fluide. La méthode d'homogénéisation des développements asymptotiques est utilisée afin de déduire un modèle capable de décrire le couplage hydro-mécanique macroscopique. Prenant en considération l'évolution de fissures et sans faire des hypothèses phénoménologiques, une analyse énergétique mésoscopique couplé avec un schéma d'homogénéisation a été développée et elle fournit une loi d'évolution d'endommagement macroscopique. De cette façon, un lien direct entre les phénomènes de rupture de la structure mésoscopique et l'endommagement macroscopique correspondant est établie. Finalement, on présente une étude numérique du comportement macroscopique d'endommagement hydro-mécanique. / This work presents the constitutive modeling of a geomaterial consisting of a deformableand saturated porous matrix including a periodic distribution of evolving fluid-filledcavities. The homogenization method based on two-scale asymptotic developments isused in order to deduce a model able to describe the macroscopic hydro-mechanicalcoupling. By taking into account the cavity growth and without any phenomenologicalassumption, it is proposed a mesoscopic energy analysis coupled with the homogenizationscheme which provides a damage evolution law. In this way, a direct link between themeso-structural fracture phenomena and the corresponding macroscopic damage isestablished. Lastly, a numerical study of the local macroscopic hydro-mechanical damage behaviour is presented. / In questa tesi si presenta la modellazione costitutiva di un geomateriale composto da unamatrice porosa satura e deformabile contenente una distribuzione periodica di cavitàriempite da fluido che si propagano. Il metodo di omogeneizzazione basato sugli sviluppiasintotici a doppia scala viene utilizzato con l'obiettivo di dedurre un modello capace didescrivere l'accoppiamento idro-meccanico macroscopico. Prendendo in considerazione lapropagazione delle cavità e senza nessuna ipotesi fenomenologica, si propone un'analisienergetica mesoscopica accoppiata ad uno schema di omogeneizzazione che fornisce unalegge di evoluzione del danno.In questo modo, una relazione diretta tra i fenomeni difrattura meso-strutturali ed il corrispondente danno macroscopico viene stabilita. Infine,uno studio numerico del comportamento macroscopico locale di danno idro-meccanico viene presentato.

Le béton est un matériau très utilisé dans l'industrie de construction. Une limite essentielle à un usage de ce matériau est sa dégradation par écaillage lorsqu’il est exposé au feu. Le phénomène d'écaillage consiste en une éjection du béton sous forme d'écailles à la surface du béton exposée à l'incendie. La section de béton s'en trouve progressivement réduite. De plus, ce phénomène expose les armatures et peut conduire à une rupture prématurée de structures telles que les tunnels, les gratte-ciels, les centrales nucléaires etc. De nombreuses recherches ont été consacrées à la mise au point de méthodes de prévention de l'écaillage et à la détermination des paramètres qui ont une influence sur ce phénomène. Cependant, la physique qui contrôle l'écaillage n'est pas encore entièrement comprise. L'objectif principal de la thèse est de fournir une meilleure compréhension des mécanismes impliqués dans l’écaillage du béton en utilisant une approche numérique-expérimentale, i.e., la tomographie neutronique couplée à la modélisation numérique avancée à une échelle adéquate.Dans ce travail, les premières mesures 3D de la teneur en eau du béton (grandeur locale indispensable au suivi du processus de déshydratation potentiellement responsable de l’écaillage) soumis à un chargement thermique sévère ont été réalisées à l'aide de tomographies neutroniques rapides. Le suivi de la déshydratation rapide du béton a été possible en réalisant un scan 3D toutes les minutes grâce à la source neutrons de l'Institut Laue Langevin (leader mondial), à Grenoble, France. Cette vitesse d'acquisition est dix fois plus rapide que toute autre étude tomographique rapportée dans la littérature. Un dispositif, adapté à l'imagerie neutronique et aux essais à haute température, a été développé pour réaliser de telles expériences. L'influence de la taille des agrégats sur la distribution de l'humidité au sein de l'échantillon est présentée. Les résultats quantitatifs sur l'accumulation d'humidité derrière le front de déshydratation, connue sous le nom de 'moisture-clog" et considérée comme un des facteurs principaux engendrant un excès de pression, sont également présentés et discutésEn parallèle, un modèle thermo-hydro-mécanique (THM) entièrement couplé a été mis en œuvre sur le logiciel élément fini Cast3M afin d'étudier et prédire le comportement du béton à haute température. Le code nouvellement implémenté est remarquablement plus rapide (20-30 fois) que le code existant sur lequel il est basé. Une approche mésoscopique a été adaptée au modèle pour prendre en compte l'hétérogénéité du béton. D'abord, le modèle est appliqué à des expériences de la littérature, qui étu-dient les paramètres standards tels que la température, la pression du gaz et la perte de masse. En-suite, des profils d'humidité 1D obtenus à partir d'expériences de radiographie neutronique sont utili-sés pour vérifier et améliorer le modèle en termes de lois de comportement critiques telles que les courbes de déshydratation et de rétention d'eau. Enfin, le modèle est utilisé pour prédire la distribution d'humidité 3D mesurée dans ce travail de doctorat par tomographie neutronique. Entre autres, des simulations THM mésoscopiques sont effectuées pour étudier l'influence d'un agrégat sur le front de séchage. / Concrete has been extensively used in the construction industry as a building material. A major drawback of this material is its instability at high temperature, expressed in the form of violent or non-violent detachment of layers or pieces of concrete from the surface of a structural element. This phenomenon, known as fire spalling, can lead to the failure of concrete structures such as tunnels, high rise buildings, nuclear power-plants, underground parkings etc. because the reinforcement steel is directly exposed to high temperature and the designed cross section of the concrete elements (e.g., columns, beams, slabs) is reduced. A lot of research has been dedicated on developing preventing methods for spalling and also on determining the parameters that have an influence on it. However, the physics behind this phenomenon is not yet fully understood.In this doctoral, the first 3D measurements of moisture content in heated concrete, which is believed to be one of the processes directly related to spalling, have been performed using in-situ neutron tomography. In order to follow the fast dehydration process of concrete, one 3D scan (containing 500 radiographs) per minute was captured thanks to the world leading flux at the Institute Laue Langevin (ILL) in Grenoble France. This acquisition speed, which is ten times faster than any other experiment reported in the literature, was sufficient to follow the dehydration process. A dedicated setup, adapted to neutron imaging and high temperature, has been developed for performing such kind of experiments. Concrete samples with different aggregate size have been tested. Quantitative analysis showing the effect of the aggregate size on the moisture distribution is presented. Results on the moisture accumulation behind the drying front, known as the moisture-clog, are also presented and discussed.In parallel, a numerically-efficient coupled thermo-hydro-mechanical (THM) model has been implemented in the finite element software Cast3M for understanding and predicting the complex behavior of concrete at high temperature in the context of spalling. The newly implemented code is remarkably faster (20-30 times) than an existing one, on which it is based. A mesoscopic approach has been adapted to the model for taking into account the heterogeneity of concrete. First the model is applied to experiments from literature monitoring standard parameters such as temperature, gas pressure and mass loss. Then, 1D moisture profiles obtained from neutron radiography experiments are used for verifying and improving the model in terms of some critical constitutive laws such as dehydration and water retention curves. Finally, the model is employed for predicting the 3D moisture distribution measured in this doctoral work via neutron tomography. Among others, mesoscopic THM simulations are performed for investigating the influence of an aggregate on the drying front.

L'Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (Andra) a commencé en 2000 la construction du Laboratoire Souterrain de Meuse / Haute-Marne (LS-M/HM) avec l'objectif principal de démontrer la faisabilité d’un stockage géologique dans l’argilite du Callovo-Oxfordien. Un réseau de galeries expérimentales a été excavé, principalement en suivant les directions des contraintes horizontales (majeure et mineure), avec des variations sur : la méthode d'excavation, la géométrie de la structure et le soutènement. Chaque galerie a été instrumentée en différentes sections pour suivre le comportement hydromécanique de la roche face à l’excavation. Le suivi de la zone autour des galeries excavées au niveau principal (-490 m) a révélé le développement d'une zone fracturée (fractures en extension et en cisaillement) induite par l'excavation. La distribution de la zone fracturée dépend à la fois de l'orientation de la galerie et du champ de contraintes in-situ et a une influence importante sur la déformation des galeries. En effet, les mesures de convergence ont montré une fermeture anisotrope de la section de la galerie. De plus, il a été observé un champ de distribution anisotrope de la pression de pores ainsi que des surpressions autour des galeries.Afin d’analyser la réponse anisotrope du massif pendant l’excavation et après celle-ci, les travaux effectués dans le cadre de la thèse sont axés principalement sur une étude directe des mesures de convergence in-situ. Cette analyse s’effectue à l’aide de la loi semi-empirique proposée par Sulem et al. (1987) [Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr 24: 145–154]. A cet égard, différentes galeries excavées dans le LS-M/HM ont été étudiées. Ces galeries présentent certaines différences dans leurs orientations et l’état initial des contraintes, dans la méthode et la vitesse d’excavation ainsi que dans les diamètres de la section et les types de soutènements installées. Cette analyse permet d’obtenir des prédictions fiables de la convergence à long-terme, ce qui peut servir pour le dimensionnement et la prévision de la performance du soutènement à long-terme.En outre, nous avons étudié la réponse anisotrope du champ de pression interstitielle observée in-situ. Cette analyse est basée sur une approche poroélastique anisotrope. L’objectif principal est de reproduire qualitativement l’évolution de la pression des pores autour des galeries avec une approche simple qui prend en compte l’anisotropie intrinsèque du matériau. Enfin, une analyse de l’apparition de la rupture montre le rôle clé que joue le couplage hydromécanique dans l’extension de la zone fracturée / The French National Radioactive Waste Management Agency (Andra) began in 2000 the construction of an Underground Research Laboratory (URL) with the main goal of demonstrating the feasibility of a geological repository in Callovo-Oxfordian claystone. Several research programs have taken place to improve the knowledge of the rock properties and its response to the excavation progress. A network of experimental drifts has been constructed with variations on: excavation method, structure geometry, supports system and orientations with respect to principal stresses’ directions. In each drift different sections have been instrumented to monitor the hydro-mechanical behavior of the rock mass formation. Continuous monitoring of the excavated zone around the drifts in the main level (-490 m) revealed the development of a fractured zone (extensional and shear fractures) induced by the excavation. The extent of this fractured zone depends on the drift orientation regarding the in-situ stress field. Accordingly, the convergence measurements showed an anisotropic closure which depends also on the drifts’ orientations. Moreover, marked overpressures and an anisotropic pore pressure field around the drifts have been also observed.The approach proposed in this work is mainly based on a direct analysis of the convergence measurements, for studying the anisotropic response of the rock formation during and after excavation. The convergence evolution is analyzed on the basis of the semi-empirical law proposed by Sulem et al. (1987) [Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr 24: 145–154]. The monitoring and analysis of convergence data can provide a reliable approach of the interaction between rock mass and support. Therefore, the anisotropy and the variability of the closure are analyzed taking into account different field cases: drifts excavated in two different orientations (i.e. influence of the initial stress state), different methods, sizes and rates of excavation and different supports systems with different conditions of installation. This broad range of cases permits to refine the analysis for reliable predictions of the convergence evolution in the long term. This approach can thus be used for the design of various types of support and the evaluation of its performance in the long term.On the other hand, the pore pressure evolution induced by excavation of drifts as recorded in situ has been analyzed. The anisotropic response observed in-situ suggests that the intrinsic anisotropy of the material plays a key role in the response of the rock formation. To understand these phenomena, an anisotropic poroelastic analysis of the pore pressure evolution induced by the drift excavation is performed. The main goal is to simulate the main trends of the pore pressure evolution with a simple model taking into account the inherent anisotropy of the material. Finally, an analysis of the onset of failure shows the key role of the hydro-mechanical coupling on the extension of the failed zone around the drifts

Les roches argileuses profondes de très faible perméabilité (10-20 m2), telles que l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx) en France ou l’Argile à Opalinus en Suisse, sont des roches hôtes potentielles pour le stockage géologique des déchets radioactifs. Lors des différentes phases du stockage, ces roches seront soumises à des sollicitations thermo-hydro-mécaniques (THM) couplées. La détermination de leurs caractéristiques THM reste à compléter pour une meilleure compréhension de la réponse du champ proche des galeries de stockage.L’étude expérimentale des matériaux de faible perméabilité est délicate et plusieurs questions sur leur comportement THM restent posées. Dans ce contexte, deux systèmes expérimentaux originaux avec mesures précises des déformations locales et chemin de drainage (H) réduit ont été développés et utilisés pour la réalisation d’essais saturés drainés : une cellule de compression isotrope (H = 10 mm) et une cellule triaxiale standard dont le chemin de drainage a été réduit à l’aide d’un géotextile placé autour de l’échantillon (H = 19 mm) .Une caractérisation poroélastique détaillée de l’argilite du COx en cellule isotrope a permis, par des approches directes et indirectes compatibles, une détermination fiable des paramètres poroélastiques isotropes transverses du matériau, identifiés dans un cadre théorique permettant de déterminer les composantes du tenseur de Biot (coefficients b1 et b2, respectivement perpendiculaire et parallèle au litage). Un paramètre clé peu documenté à ce jour est le module de compression des grains solides, déterminé à l’aide d’un essai de compression sans membrane (Ks = 21.7 GPa).Un contrôle de température et un étalonnage précis de ces effets parasites ont permis l’étude de la réponse volumique thermique de l’argilite du COx lors d’un essai de chauffage drainé sous confinement isotrope constant proche de l’état in-situ. Une expansion thermoélastique suivie d’une contraction thermoplastique a été observée, avec une température de transition à 48°C, proche de la plus grande température supportée pendant l’histoire géologique de l’argilite. On confirme ainsi le fait que les argilites gardent en mémoire la température maximale supportée. La précision des mesures de déformations a aussi permis d’identifier un fluage volumique, dont l’amplitude est accentuée à 80°C.Des calculs poroélastiques avec les conditions aux limites du système de drainage amélioré ont permis de déterminer l’ordre de grandeur des taux de déformations axiales permettant un bon drainage lors du cisaillement triaxial (6.6×10-8 s-1). Les essais drainés sur l’argilite du COx présentent une bonne compatibilité avec un critère déjà publié. Des résultats cohérents ont aussi été obtenus sur le critère de rupture de l’Argile à Opalinus, par rapport auquel ont été comparés ceux d’essais de compression simple à différentes vitesses sur des échantillons équilibrés à 94% d’humidité relative qui a mis en évidence une dépendance de la résistance au pic vis-à-vis du taux de déformation axial.L’ensemble de ces résultats permet de réduire l’incertitude concernant les propriétés THM des argilites et devrait permettre une meilleure estimation de la réponse du champ proche des galeries au cours des différentes phases de leur période service.Mot clés : argilites, perméabilité, drainage, saturation, poroélasticité, coefficients de Biot, isotropie transverse, cisaillement triaxial, chauffage, fluage / Deep low permeability claystones (10-20 m2), such as Callovo-Oxfordian claystone (COx) in France or the Opalinus Clay in Switzerland, are potential host rocks for deep geological radioactive waste disposal. During the various phases of the storage, these rocks will be subjected to thermo-hydro-mechanical (THM) coupled effects. The determination of their THM parameters remains to be completed for a better understanding of the near-field response of the storage galleries.The experimental study of low permeability geomaterials is difficult and several questions about their THM behavior still remain. In this context, two original experimental systems with high precision local strain measurements and reduced drainage lengths (H) were developed and used for saturated drained tests: an isotropic compression cell (H = 10 mm) and a standard triaxial cell with a reduced drainage length using a geotextile placed around the sample (H = 19 mm).A detailed poroelastic characterization of the COx argillite in the isotropic cell provided a set of compatible transverse isotropic poroelastic parameters of the material, identified in a theoretical framework allowing to determine the Biot tensor components (coefficients b1 and b2, perpendicular and parallel to bedding plans, respectively). A key parameter not well documented to date is the unjacketed modulus that was determined by means of an unjacketed compression test (Ks = 21.7 GPa).A temperature control and an accurate calibration of thermal parasite effects allowed the investigation of the thermal volumetric response of the COx argillite during a drainage test under constant isotropic confining stress close in-situ state conditions. A thermoelastic expansion followed by a thermoplastic contraction was observed, with a transition at a temperature of 48 °C, close to the highest temperature supported during the geological history of the claystone. It is thus confirmed that such claystones keep in memory the maximum supported geological temperature. The precision of the deformation measurements also made it possible to identify a volumetric creep that is enhanced at 80 °C.Poroelastic calculations with the boundary conditions of the improved drainage system allowed to determine the magnitude of axial strain rates allowing good drainage during triaxial drained shearing (6.6×10-8 s-1). The drained tests carried out on the COx claystone showed a good compatibility with a criterion already published. Coherent data were also obtained on the Opalinus Clay failure criterion, that were compared to those of uniaxial compression tests at different speeds on samples equilibrated at 94% relative humidity, that exhibited a dependence of the peak strength on the shear rate.These results make it possible to reduce the uncertainties concerning the THM properties of claystones and should allow a better estimation of the response of the near field close to the galleries during the different phases of their service period.Key words: claystone, permeability, drainage, saturation, poroelasticity, Biot coefficient, transverse isotropy, triaxial testing, heating, creep

Prolonger la durée de vie d’un parc nucléaire impose de garantir la pérennité des enceintes de confinement, troisième et dernière barrière de protection contre les potentielles émissions radioactives. Ces structures sont attentivement auscultées depuis la construction grâce à un dispositif de mesures spécifiques incluant des extensomètres noyés dans le béton. De conception intrinsèquement fiable et bien que largement éprouvés, ces capteurs de déformation commencent à présenter des taux de défaillance significatifs, nécessitant, de fait, le recours à des chaînes de mesure de substitution. En ne pouvant être mises en œuvre qu’au voisinage de la surface du béton, ces solutions ne permettent qu’un accès indirect à la déformation initialement observée. Des doutes peuvent dès lors être émis sur la représentativité des mesures et par conséquent sur la qualité de la surveillance.Pour analyser l'influence de la localisation de la mesure, le développement et l'exploitation de deux modèles numériques éléments finis complémentaires sont proposés. Il s’agira principalement, pour l’un, de quantifier les possibles écarts de comportement sur le long terme et en épreuve liés aux gradients de température et d’humidité ; et pour l’autre, la variabilité liée au caractère hétérogène et particulier de la géométrie des enceintes. Suite à la calibration des modèles de comportement thermo-hydro-mécanique, s’appuyant sur des résultats d'essais matériaux en laboratoire, une prévision à l'échelle de la structure, utilisant des chargements sur ouvrage reconstruits à partir de données historiques ou de synthèses fondées sur le retour d’expérience du parc nucléaire français exploité par EDF, est menée. L'historique de déformation est ainsi reconstruit en tout point de l'enceinte pour en déduire un modèle analytique des variations spatiales dans l'enceinte des déformations afin de faciliter son exploitation.En mettant en évidence de faibles écarts sur le long terme entre position à cœur et en surface, il est d'abord démontré que des chaînes de mesure de substitution sont utilisables avec un bon niveau de confiance en dehors des zones singulières. Par ailleurs, l’usage de fonctions de correction basées sur les transferts physiques régnant dans la structure permet de minimiser l’influence des changements de position de mesure dans l’épaisseur. / Extending the life of nuclear plant needs to ensure the sustainability of containment, third and last barrier against potential radioactive emissions. These structures are closely monitored from construction through a specific measuring system including strain gauges embedded in the concrete. Inherently reliable, though widely proven technology, these strain sensors start presenting significant failure rates, requiring the use of substitution measure chains. These solutions, which can only be placed near surface of concrete, allow only an indirect access to the initially observed strain. Doubts may therefore be issued on the representativeness of measurements and therefore on the quality of monitoring.To analyze the influence of the location of the measurement, the development and exploitation of two finite elements numerical models are proposed. This will be mainly for one to quantify the possible misbehavior in the long term and during tests related to temperature and moisture gradients; and for the other, the variability related to heterogeneous and particular nature of the geometry of nuclear power plant. As a result of the calibration of the thermo-hydro-mechanical behavior models, based on laboratory materials test, a forecast throughout the structure is conducted, using reconstructed loads from historical data or syntheses based on feedback from the french nuclear power plant operated by EDF. The history of deformation is thus reconstructed in any enclosure point to settle an analytical model of the spatial variations of the enclosure deformation to facilitate its operations.Highlighting small long-term differences between embedded and surface position, it is first shown that alternative measuring systems can be used with a high confident level outside singular position. Furthermore, the use of correction functions based on physical transfers prevailing in the structure makes it possible to minimize the influence of position measurement of changes in thickness.

[pt] Atrelado aos cenários cada vez mais complexos de extração de energia, o estudo de fenômenos acoplados em meios porosos - notadamente térmicos, hidráulicos, químicos e mecânicos - tem se apresentado como essencial na previsão de comportamento de meios geológicos no que diz respeito à disposição de rejeitos radioativos, armazenamento de dióxido de carbono, engenharia de reservatórios geotérmicos e geomecânica de reservatórios. Assim, este trabalho objetiva desenvolver um esquema de acoplamento termo-hidro-mecânico-químico iterativo visando a simulação do armazenamento geológico de dióxido de carbono, empregando um simulador de fluxo composicional (GEM) e um programa de análise de tensões (ABAQUS ou CHRONOS). A idealização das metodologias de acoplamento foi efetuada através dos processos hidro-mecânico, termo-hidro-mecânico e termo-hidro-mecânico-químico, bem como as validações e aplicações em casos reais. Os casos de validação, realizados empregando modelos simplificados monofásicos, apresentaram resultados satisfatórios quanto ao comportamento hidro-mecânico e termo-hidro-mecânico. Adicionalmente às validações, os esquemas termo-hidro-mecânico e termo-hidro-mecânico-químico foram aplicados em dois casos reais de armazenamento de CO2 apresentados na literatura, projeto In Salah (Argélia) e aquífero Utsira (Noruega), respectivamente. De maneira geral, os resultados encontrados, para ambos os casos estudados, representaram acuradamente as respostas encontradas em campo, fato que evidencia a qualidade, robustez e aplicabilidade dos esquemas de acoplamento propostos neste trabalho. / [en] Considering the increasingly complex scenarios of energy extraction, the study of coupled phenomena in porous media - notably thermal, hydraulic, chemical and mechanical - has been considered as essential in order to predict the behavior of geological media with regard to radioactive waste storage, CO2 geological storage, geomechanics of geothermal reservoirs and reservoir geomechanics. Thus, this work aims to develop a thermo-hydro-mechanical-chemical iterative coupling scheme in order to simulate the geological storage of CO2, employing a compositional flow simulator (GEM) and a stress analysis program (ABAQUS or CHRONOS). The idealization of the coupling methodologies was carried out through the processes hydro-mechanical, thermo-hydro-mechanical and thermo-hydro-mechanical-chemical, as well as the validations and applications in real cases. The validation cases, performed employing simplified single-phase models, presented satisfactory results regarding the hydro-mechanical and thermo-hydro-mechanical behaviors. Additionally to the validations, the thermo-hydro-mechanical and thermo-hydro-mechanical-chemical schemes were applied in two real cases of CO2 geological storage reported by the literature, In Salah project (Algeria) and Utsira aquifer (Norway), respectively. In general, the results found, in both cases studied, accurately represented the behavior observed in the field, which in turn highlights the accuracy, robustness and applicability of the coupling schemes proposed in this work.

Le présent travail porte sur le comportement des plates-formes ferroviaires anciennes en France. Tout d'abord, une étude statistique a été menée sur les problèmes survenus dans l'ensemble du réseau ferroviaire français. L'analyse montre l'importance particulière de la qualité du sol support pour la performance de la sous-structure et pour la tenue géométrique des voies. Ensuite, une ligne ferroviaire ancienne située à l'Ouest de la France a été étudiée spécifiquement. Les analyses montrent que la vitesse de dégradation de cette ligne est en corrélation avec les différents paramètres tels que la nature de sol support, l'épaisseur des couches de la sous-structure. Une tendance d'augmentation de la vitesse de dégradation avec la diminution de l'épaisseur de la couche intermédiaire est identifiée. Cette couche as un impact positif puisqu'elle réduit les contraintes appliquées au sol support. Le comportement hydromécanique du sol de la couche intermédiaire dans des conditions différentes (teneur en eau, teneur en particules fines, charge, nombre de cycles) a été étudié. Des essais triaxiaux et des essais de colonne d'infiltration ont été réalisés à cette fin. En analysant les propriétés de résistance au cisaillement, la déformation axiale permanente et le module réversible, on a constaté que les effets de la teneur en eau et de la teneur en fines doivent être pris en compte ensemble. Une augmentation de teneur en fines dans la couche intermédiaire présente un impact positif à l'état non saturé grâce à l'effet de la succion, mais un impact négatif à l'état saturé. Les essais de colonne d'infiltration avec des cycles de séchage/humidification ont montré que la conductivité hydraulique du sol est gouvernée par la fraction de fines et qu'elle ne change pas significativement avec la teneur en fines. Afin d'étudier les mécanismes de la création de la couche intermédiaire et de remontée boueuse, un modèle physique de 550 mm de diamètre intérieur a été développé. Des échantillons de sol qui représentent la sous-structure ferroviaire ancienne avec une couche de ballast posée sur une couche de limon artificielle (mélange de sable concassé et du kaolin) ont été testés. Les effets des charges monotones et cycliques, de la teneur en eau et de la masse volumique sèche du sol support ont été étudiés. Il a été constaté que la pression interstitielle développée dans le sol support et la rigidité du sol support sont des facteurs clés pour la migration des particules fines ou la création de la couche intermédiaire/la remontée boueuse. L'eau est la condition nécessaire, mais c'est la compressibilité du sol support qui gouverne le phénomène à se produire / The present work deals with the behavior of ancient railway sub-structure in France. A statistical study was firstly undertaken on problems occurred in the whole ancient French railway network. The analysis evidenced the particular importance of sub-grade quality for the performance of the sub-structure and the track geometry. Afterwards, an ancient railway line in the West of France was investigated. The analysis showed that the degradation speed of this line was correlated with different parameters such as the nature of sub-grades and the thickness of different layers. An increase trend of degradation speed with the increase in interlayer thickness was identified. The interlayer has a positive impact since it reduces the train-induced stress applied to the sub-grade. The hydro-mechanical behavior of interlayer soil under different conditions (water content, fines content, stress, number of cycles) was investigated. A set of triaxial tests and infiltration tests were performed for this purpose. By analyzing the shear strength properties, the permanent axial strain and the resilient modulus of interlayer soil, we found that the water content and the fines content must be considered together. Adding more fines into the interlayer presents a positive impact under unsaturated conditions thanks to the suction effect, but a negative impact under saturated conditions. The infiltration column tests with drying/wetting cycles showed that the hydraulic conductivity of interlayer soil is governed by fines fraction but did not change significantly with fines content. In order to study the mechanism of interlayer creation and mud pumping, a physical model of 550 mm inner diameter was developed. Soil samples representing the ancient French railway substructure with a ballast layer overlying an artificial silt layer (mixture of crushed sand and kaolin were tested. The effects of monotonic and cyclic loadings, water content and dry unit mass of sub-soil were investigated. It was found that the pore water pressure developed in the sub-soil and the sub-soil stiffness are the key factors for the migration of fine particles or the creation of interlayer/mud pumping. Water is the necessary condition, but it is the soil compressibility that governs the phenomenon to occur

Le travail présenté dans cette thèse vise à apporter une compréhension fine des couplages hydromécaniques et plus particulièrement du phénomène d'effondrement capillaire. L'utilisation de matériaux granulaires modèles observés à petites échelles grâce au microtomographe à rayons X constitue le point de départ de cette étude. Les résultats portent dans un premier temps sur la capacité à reproduire et observer le phénomène d'effondrement capillaire à l'échelle de l'éprouvette, appelée aussi échelle macroscopique. Une des premières problématiques importantes de ce projet a donc porté sur la reconstitution d'éprouvettes suffisamment lâches permettant d'observer le phénomène effondrement. Le potentiel d'effondrement, alors mesuré au simple œdomètre sur ces éprouvettes reconstituées, décroit avec la charge mécanique appliquée. En contrôlant le volume d'eau au cours de l'imbibition, les éprouvettes sont sujettes à une succession d'incréments de déformation rapides et ceci quelle que soit la dynamique de mouillage. En parallèle, l'utilisation de la technique d'analyse non destructive par microtomographie aux rayons X nous a permis de quantifier à une échelle mésoscopique (échelle de quelques grains), l'évolution de matériaux granulaires sous chargement hydrique et mécanique. Cela a été possible par l'utilisation de la technique de corrélation d'images numériques (DIC) associée à des outils d'analyse adaptés aux matériaux non saturés. Ces outils révèlent que l'hétérogénéité locale des déformations et des teneurs en eau augmente au cours de l'imbibition principalement à cause de l'effet de la gravité sur la répartition de l'eau dans l'éprouvette. L'hétérogénéité initiale des éprouvettes induite par la méthode de préparation est aussi identifiée. Cependant, malgré la présence de ces hétérogénéités, nous montrons que les mesures réalisées à l'échelle de l'éprouvette restent représentatives du comportement mésoscopique du matériau au cours de l'effondrement / This thesis deals with hydromechanical couplings in soils and more particularly focusing on the capillary collapse phenomenon. Although thoroughly studied at macroscopic scale in fine soils, the mechanisms governing capillary collapse in granular soils have been less observed.At first, the results concern the capacity to reproduce and to observe the phenomenon of capillary collapse at the scale of the specimen, called also the macroscopic scale.Thus, one of the first important objectives of this project concerned the preparation method of the specimens, which have to be loose enough to observe this phenomenon. The collapse potential, determined here by the one-dimensional collapse test, decreases with the mechanical stress. Moreover, when the quantity of water is controlled, incremental strains of specimens arise whatever the imbibition dynamic.To complement existing data, an experimental program was carried out using X-ray computed tomography (X-ray CT), a relevant tool to obtain 3D informations at grain scale. In combination with Volumetric Digital Image Correlation (V-DIC), X-ray CT also makes it possible to get information at a mesoscopic scale, at which the use of continuum mechanics still remains relevant. In this work, both microscopic and mesoscopic analyses have been carried out on a partially saturated sand subjected to gradual controlled imbibition in an oedometric cell.Local heterogeneities of strains and water contents appear during the imbibition, which are principally explained by the effect of gravity and by an inhomogeneity of the initial density.However, in spite of the existence of those localisations, by comparing the analyses at the mesoscopic and at the macroscopic scale, we show that measurements performed at the scale of the specimen are representative of the local behaviour of the material

Dans le cadre de la déposition géologique profonde des déchets radioactifs, l'argile de Boom est choisie comme une des formations hôtes potentielles dans le programme belge. Par sa formation géologique, cette argile est considérée comme un matériau isotrope transversal. En effet, l'anisotropie de ses propriétés hydraulique et thermique a été mise en évidence dans plusieurs études. Il apparait maintenant nécessaire de mener une étude complète sur son comportement anisotrope. Sur le plan expérimental, l'anisotropie des propriétés thermo-hydro-mécaniques de l'argile de Boom a été mise en évidence à l'aide des mesures de la conductivité thermique, de la conductivité hydraulique, et du module de cisaillement. Grâce à ces mesures sur des carottes fraichement forées, l'endommagement dû à l'excavation de la galerie a été identifié (dans la zone près de la galerie « Connecting » à Mol, Belgique) et modélisé par un modèle empirique dont la variable d'endommagement est basée sur le volume des macro-pores. Ensuite, l'anisotropie du comportement en condition K0 a été étudiée en analysant le comportement de trois types d'éprouvettes différents (0°, 45° et 90° au plan du litage) pendant et après la re-saturation dans des cellules oedométriques et triaxiales à plusieurs états de contraintes différents. Enfin, le comportement anisotrope en condition triaxiale a été étudié en réalisant des essais triaxiaux sur trois types d'éprouvettes. Au cours de ces essais, les mesures des vitesses d'ondes Vs et Vp ont été également effectuées à l'aide des éléments piézoélectriques encastrés dans deux embases supérieure et inférieure d'une cellule triaxiale. Ces résultats ont permis de déterminer les paramètres de l'élasticité anisotrope. Sur le plan de modélisation, un modèle anisotrope avec huit paramètres anisotropes (cinq paramètres élastiques et trois paramètres plastiques) a été développé, en utilisant la théorie de Bohler (Boehler et Sawczuk, 1977). Ce modèle est basé sur un modèle élasto-plastique isotrope à deux surfaces de charge validé précédemment pour l'argile de Boom (Hong, 2013). La validation de ce modèle anisotrope a été réalisée grâce aux résultats expérimentaux des essais oedométriques et triaxiaux obtenus dans cette étude / In the program of deep geological radioactive waste disposal in Belgium, Boom Clay has been chosen as one of the potential host rocks. Due to the geological stratification, this stiff clay has been regarded as a transverse isotropic material. The anisotropy of its hydraulic and thermal properties was shown in several studies. It seems necessary now to conduct a more in-depth study on the anisotropic behaviour of Boom Clay. In terms of experimental works, the anisotropy of the thermo-hydro-mechanical properties of Boom Clay was evidenced using measurements of thermal conductivity, hydraulic conductivity and small-strain shear modulus. Through these measurements on freshly cored Boom Clay samples, the damage due to excavation of the gallery was identified (in the zone near the Connecting gallery at Mol, Belgium) and modelled using an empirical model in which the damage variable is based on the volume of macro-pores. Afterwards, the anisotropy behaviour under K0 condition was studied by analysing the behaviour of three types of specimens (0°, 45°, and 90° to the bedding plane) during and after the re-saturation in the triaxial and oedometer cells under different stress states. Finally, the anisotropic behaviour under triaxial condition was investigated through several triaxial tests on three types of specimens. During these tests, the velocity measurements of seismic waves Vs et Vp were performed thanks to the bender elements installed in the upper and bottom bases of a triaxial cell. These results were used to determine the parameters of anisotropic elasticity. In terms of modelling works, an anisotropic model with eight anisotropic parameters (fives elastic parameters and three plastic parameters) was developed using the theory of Boehler (Boehler et Sawczuk, 1977). This model is based on an elasto-plastic isotropic model with two yield surfaces elaborated previously for Boom Clay (Hong, 2013). The validation of this anisotropic model was made based on the results obtained from oedometer and triaxial tests performed in this study