Les travaux de modélisations présentes dans cette thèse concernent l’étude du comportement hydro-poro-mécanique des géomatériaux par l’approche numérique de changement d’échelle. Il s’agit d’exploiter un modèle géomatériaux conceptuel, du code de calcul par la méthode élément finis étendu (XFEM) ou IIM, conjointement avec des techniques d’homogénéisation, pour l’obtention des lois de comportement macroscopique tirées des relations de passage Micro-Macro. Dans ce modèle conceptuel, le volume élémentaire représentatif des milieux hétérogène est composé d’une matrice argileuse contenant des inclusions de minéraux de quartz et de calcite ou des pores. D’abord, cette procedure avec XFEM a été effectuée pour la détermination des propriétés effectives isotropes. Ensuite, Une étude sur l’influence de la distribution, la morphologie, et l’orientation des inclusions sur le comportement équivalent dans le domaine de l’élasticité linéaire a été réalisée par traverser nombreuse études numériques. Dans un troisièmes temps, nous avons modélisée le comportement mécanique non linaire des géomatériaux en utilisant XFEM et la méthode Newton-Raphson modifiée. Enfin, la modélisation du comportement hydraulique est réalisée par la méthode IIM, elle a été validée par la comparaison avec l’approche analytique. / The work of modeling present in this thesis relates to the study of the hydro-poro-mechanics behavior of geomaterials with the numerical approach of up-scaling. This work is based on le the conceptual geomaterials model, of finite element extended (XFEM) code develop in Matlab or IIM, coupling with the homogenization method to obtain the laws of macroscopic behavior drawn from the relations of Micro-Macro passage. In this model, the elementary volume representative of the mediums heterogeneous is composed of an argillaceous matrix containing of calcite and quartz mineral inclusions or of the pores. Firstly, this procedure with XFEM was carried out for the determination of the effective properties linear of the geomaterial. Then, a study on the influence of the distribution, morphology, and the orientation of inclusions on the equivalent behavior in the field of linear elasticity was carried out by crossing many numerical studies. In the third time, we modeled the mechanical behavior non linear of the geomaterial by using XFEM and the modified method Newton-Raphson. Lastly, the modeling of the hydraulic behavior is carried out by IIM, it was validated by the comparison with the analytical approach.

Les travaux de modélisations présentes dans cette thèse concernent l'étude du comportement hydro-poro-mécanique des géomatériaux par l'approche numérique de changement d'échelle. Il s'agit d'exploiter un modèle géomatériaux conceptuel, du code de calcul par la méthode élément finis étendu (XFEM) ou IIM, conjointement avec des techniques d'homogénéisation, pour l'obtention des lois de comportement macroscopique tirées des relations de passage Micro-Macro. Dans ce modèle conceptuel, le volume élémentaire représentatif des milieux hétérogène est composé d'une matrice argileuse contenant des inclusions de minéraux de quartz et de calcite ou des pores. D'abord, cette procedure avec XFEM a été effectuée pour la détermination des propriétés effectives isotropes. Ensuite, Une étude sur l'influence de la distribution, la morphologie, et l'orientation des inclusions sur le comportement équivalent dans le domaine de l'élasticité linéaire a été réalisée par traverser nombreuse études numériques. Dans un troisièmes temps, nous avons modélisée le comportement mécanique non linaire des géomatériaux en utilisant XFEM et la méthode Newton-Raphson modifiée. Enfin, la modélisation du comportement hydraulique est réalisée par la méthode IIM, elle a été validée par la comparaison avec l'approche analytique.

Cette thèse vise à développer un modèle numérique de type lattice permettant de simuler la propagation de fissures sous l’effet d’une injection de fluide dans un milieu hétérogène quasi-fragile. Si la finalité de l'étude concerne l'étude de matrices rocheuses naturelles, dans les différentes parties du manuscrit détaillée ci-après et dans un souci de validation, le modèle a été régulièrement confronté à des résultats expérimentaux obtenus sur des matériaux cimentaires similaires à des roches naturelles en termes de comportements mécaniques et de transport mais présentant des hétérogénéités mieux contrôlées. La première partie du document est dédiée à l'étude du processus de fissuration caractéristique des matériaux quasi-fragiles présentant une zone d'élaboration. Un outil d'analyse statistique basé sur les fonctions de Ripley et permettant d'extraire une longueur caractéristique à partir d'un nuage de points -- lieux d'un endommagement mécanique -- et présenté. Il est ensuite utilisé dans le cadre d'essais numériques et expérimentaux de rupture par flexion 3 points sur des éprouvettes de bétons. Les résultats montrent que le modèle numérique de type lattice est capable de rendre compte à la fois du processus global de fissuration mais également du processus local de fissuration. Par ailleurs, cet outil permet également de montrer l'influence du mode de sollicitation sur le développement de l'endommagement au sein d'une structure. La deuxième partie du document présente une loi de comportement élasto-plastique endommageable représentative du comportement de joints. L'originalité du modèle réside dans le couplage entre l'endommagement sous sollicitation normale et la plasticité sous sollicitation tangentielle. Cette nouvelle loi permet de reproduire correctement des résultats d'essais de cisaillement indirects effectués sur des joints de plâtre séparant des épontes en mortier alors qu'un modèle de Mohr-Coulomb classique ne le permet pas. La troisième partie est dédiée à l'introduction d'un couplage hydromécanique complet dans le modèle lattice utilisé précédemment. Le couplage hydromécanique est introduit au travers du comportement poromécanique du milieu basé sur une description mécanique-hydraulique duale et intrinsèque du modèle lattice. La contrainte totale fait le lien entre la contrainte mécanique du lattice mécanique et la pression de pore du lattice hydraulique au travers du coefficient du Biot du milieu alors que la perméabilité locale pilotant le gradient de pression hydraulique est indexée sur les ouvertures locales de fissures estimées au travers du lattice mécanique. Les résultats obtenus par ce modèle hydro-mécanique dual ont été confrontés à des solutions analytiques données dans la littérature pour des fissures de type "bi-wings", et il est montré que les deux approches sont cohérentes pour une fissure parfaitement rectiligne. Après les différentes étapes de validation du modèle présentées dans les parties précédentes, la quatrième et dernière partie est dédiée à la simulation numérique du couplage hydromécanique sous-jacent à la propagation libre d'une fissure propageant sous l'effet d'une injection de fluide et de son interaction avec un joint rocheux naturel. Les trajets de fissuration, non maillés a priori, et les profils de pression au sein de la matrice poreuse sont obtenus et comparés en fonction de l'inclinaison du joint rocheux. Par ailleurs, le traitement statistique concernant les lieux d'endommagement développé en première partie est repris ici afin de caractériser l'évolution des longueurs de corrélation entre point s'endommageant au cours de la propagation de la fissure et de son interaction avec le joint. Il est montré que le modèle hydromécanique lattice permet de représenter différent mécanismes de ré-initiation de fissure à partir d'un joint suivant son inclinaison. / This research study aims at developing a lattice-type numerical model allowing the simulation of crack propagation under fluid injection in a quasi-brittle heterogeneous medium. This numerical tool will be used to get a better understanding of initiation and propagation conditions of cracks in rock materials presenting natural joints where the coupling between mechanical damage and fluid transfer properties are at stake. If the final goal of the study does concern natural rocks, the model has been validated by different comparisons with experimental results obtained on cementitious materials mimicking natural rocks in term of mechanical and transport behaviours but presenting heterogeneities which are better controlled. The first part of the manuscript presents a general state of the art. The second part of the manuscript is dedicated to the study of crack propagation in quasi-brittle materials where a significant fracture process zone is evolving upon failure. Only the solid phase is studied here and a statistical tool based on Ripley’s functions is adapted in order to extract a characteristic length representative of the correlations appearing between a set of point undergoing mechanical damage. This tool is then used in the context of numerical and experimental fracture tests on 3 point bending concrete beams. The results show that the lattice-type numerical model is able to capture the global fracture process – in term of force vs. crack opening mouth displacement – but also the local fracture process – in term of dissipated energy and correlation length evolution between damage points. Moreover, this statistical tool shows how the solicitation mode may influence the development of damage within a structure. The third part presents a new elasto-plastic damage constitutive law for joint modelling. The originality of the model lies in the coupling between mechanical damage under normal strain and plasticity under tangential strain. This new constitutive law is able to reproduce indirect shear experimental tests performed on mortar specimens presenting a plaster joint where a classical Mohr-Coulomb criterion fails. The fourth part is dedicated to the representation of the full hydro-mechanical coupling within the lattice-type numerical model. The hydro-mechanical coupling is introduced through a poromechanical framework based on the intrinsic and dual hydro-mechanical description of the lattice model, which is based on a "hydraulic" Voronoï tessellation and a "mechanical" Delaunay triangulation. The total stress links the mechanical stress and the pore pressure through the Biot coefficient of the medium whereas the local permeability, which drives the hydraulic pressure gradient, depends on the local crack openings. The numerical results are compared with analytical solutions from the literature for "bi-wings" shape cracks and it is shown that both approaches present similar results for a perfect straight crack. Once the lattice-model has been successfully validated within the former parts of the manuscript, its fifth and last part is dedicated to the numerical simulation of the fully hydro-mechanical coupling problem of a free crack propagation due to fluid injection and its interaction with a natural joint in an heterogeneous rock medium. Different crack paths, which are not pre-meshed a priori, and different pressure profiles are obtained and compared for different joint inclinations. Finally, our statistical tool, which has been primarily developed for the analysis of the failure behaviour of the solid phase, is used to characterise the evolution of correlation lengths between points undergoing damage upon the crack propagation and its interaction with a natural joint. It is shown that the hydro-mechanical lattice model is able to represent different mechanism of crack stop and restart from a joint depending on its inclination.

Le manque de granulats de qualité dans certaines régions françaises tend à devenir un problème majeur pour les entreprises de travaux publics. En effet, avec une consommation annuelle de 200 millions de tonnes de granulats, la route se doit de faire face en imaginant de nouvelles solutions comme la valorisation de certains matériaux.La craie, située entre roche et sol, possède une place particulière dans le monde des travaux publics. En effet, si son usage est relativement bien maîtrisé en vue de la réalisation de remblais ou de couches de forme, il en est tout autrement des couches d'assise de chaussées.Ce type de matériau est usuellement rejeté de la conception des assises de chaussées car il ne s'insère pas dans les guides normatifs utilisés par les professionnels de la route. Les performances mécaniques et la grande sensibilité à l'eau de ce matériau ne lui permettent pas d'entrer dans les spécifications requises par les normes. Cependant, il est tout à fait envisageable que la craie trouve sa place de manière totale ou partielle en assise de chaussée.Ce matériau que l'on trouve en abondance dans certaines régions françaises pauvres en granulats "haut de gamme" (Nord-Pas de Calais, Champagne-Ardenne...), pourrait ainsi palier un certain manque, participer à la préservation de ressources naturelles et économiser frais et pollution générés par un approvisionnement lointain.Ces travaux menés en partenariat entre le Laboratoire de Génie Civil de l'Ecole Centrale de Lille et le Laboratoire Routier Eurovia de Loos ont donc pour but de proposer des pistes d'amélioration des performances mécaniques de la craie en vue de sa valorisation en assise de chaussée routière

L'objectif principal de cette thèse est d'identifier expérimentalement la pression interstitielle d'un béton très humide sous haute pression de confinement. Ce travail fait partie d'un projet plus général visant à comprendre le comportement des structures en béton soumises à un impact au cours duquel, un état de contraintes triaxiales élevées se produit au sein du matériau. Ces structures en béton, souvent massives, gardent un taux de saturation assez élevé durant leur durée de vie. La quantité d'eau libre dans les pores du béton a un rôle prépondérant sur son comportement sous confinement élevé par rapport à d'autres paramètres du matériau (par exemple: rapport eau / ciment ou porosité du béton). Sous une telle charge, la fermeture de la porosité se produit et provoque une augmentation de la pression interstitielle qui n'a été jamais mesurée.Une nouvelle technique de mesure de pression interstitielle en utilisant la presse triaxiale Giga est proposée dans la première partie de cette étude. Elle consiste à remplacer l'échantillon de béton (14 cm en longueur) par un autre plus petit (8 cm de longueur) et une enclume de collecte d'eau (6 cm de longueur) placé en dessous. Cette enclume est composée de deux parties: un bouchon mobile équipé d'un joint d'étanchéité torique permettant l'accès à l'espace libre de la cellule et d’une cellule équipée des micro-trous en contact avec l'échantillon de béton. Deux types de capteurs de pression ont été développés durant cette thèse, un capteur type Hydrostatique et un de type Membrane. Chacun des deux capteurs de pression est placé dans l'espace libre de l’enclume avant chaque essai. Lorsque l'échantillon est sous compression triaxial à fort confinement, l’eau libre de l’échantillon est drainée dans la cavité par le biais des micro- trous. La conception de chaque capteur, la protection de l’ensemble et les essais d'étalonnage des capteurs de pression sont discutés. La deuxième partie de cette thèse est dédiée aux analyses des résultats de mesure de la pression interstitielle effectuées sur des échantillons de béton de référence (R30A7). Les résultats révèlent que la pression interstitielle peut atteindre une valeur comprise entre 200 et 400 MPa sous une pression de confinement égale à 500 MPa. Une modélisation analytique, dans le cadre poro-mécanique, est développée afin d'estimer la pression interstitielle et le comportement volumétrique du béton sous confinement élevé. La comparaison des résultats de mesure et de modélisation est satisfaisante. / The main objective of this PhD thesis is to identify experimentally the interstitial pore pressure of a very wet concrete under high confining pressure. This work is a part of a more general project aiming to understand the concrete behavior under impact during which, a high triaxial stress states occurs. Besides, massive concrete structures keep a saturation ratio strongly depth dependent almost their life time. The quantity of free water contained in concrete pores has a preponderant role on its behavior under high confinement compare to other material parameters (e.g: water/cement ratio or the concrete porosity). Under such loading, porosity closure occurs and causes an increase of interstitial pore pressure which is never measured.In order to perform interstitial pore pressure measurement, two configurations issued from a new testing technic have been developed using the Giga press of 3SR Lab. The technic, detailed in the first two chapters, consists in replacing the 14 cm R30A7 reference concrete sample by a smaller one with a water collect cap below it. The latter is composed of two parts: a movable plug equipped by a sealing joint permitting the access into the cap free space, and a micro-holed cap which is accosted on the concrete sample. A deformable sensor is placed into the free space of the water collect cap. Thus, when the sample is pressurized at high confinement, the interstitial water inside the concrete is transmitted to the sensor through cap micro-holes. The design, protection and calibration of each sensor are discussed.The second part of this thesis is dedicated for pore pressure analysis results. This latter seems to reach high values ranging from 250 till 400 MPa for 500 MPa of confinement. The concrete volumetric behavior under drained condition is lower than the saturated concrete under undrained condition. The collected data reveals that pore pressure increases linearly with the confining pressure within a slope of 0.7.An analytical modeling, within the poro-mechanical framework, is developed in order to estimate the pore pressure and concrete volumetric behavior under high confinement. The model shows promising results while comparing it to the experimental values

Lors du forage des puits d'hydrocarbure, une pâte de ciment est coulée dans l'espace annulaire entre le cuvelage en acier et les formations géologiques traversées. Pompée à l'état liquide, cette pâte de ciment fait sa prise le long du puits sous différentes conditions de température et de pression. La gaine de ciment ainsi mise en place a pour principales fonctions de promouvoir l'étanchéité pour protéger le casing contre la corrosion, de fournir le support mécanique pour assurer la stabilité du puits et d'isoler les différents fluides dans les couches traversées. Au cours de sa vie dans le puits, depuis le forage à la complétion et de la production à l'abandon, la gaine de ciment est soumise à différentes sollicitations mécaniques et thermiques qui peuvent l'endommager et altérer ses principales fonctions. La réponse de la pâte de ciment soumis à ces sollicitations dépend non seulement des conditions d'hydratation mais aussi de l'histoire des chargements précédemment appliqués. La prédiction du comportement de la gaine de ciment doit donc se faire à l'aide d'une modélisation numérique qui nécessite une loi de comportement pour la pâte de ciment. Le but de cette thèse est d'établir une loi de comportement de la pâte de ciment en cours d'hydratation pendant le jeune-âge (les 144 premières heures). Pour ce faire, des essais calorimétriques, de mesures de vitesse des ondes et des essais œdométriques ont été réalisés sur une pâte de ciment pétrolier classe G (w/c = 0,44) en cours de prise. Les conditions d'hydratation explorées vont de 7 à 30°C pour les températures et de 0,3 à 45MPa pour les pressions. Les résultats expérimentaux ont montré que les déformations volumiques de la pâte de ciment dues à son hydratation (retrait macroscopique) sont considérablement influencées par la contrainte sous laquelle la pâte de ciment s'hydrate. Plus la contrainte d'hydratation est élevée, plus élevé est le retrait macroscopique à 144 heures. Inversement, les déformations irréversibles dues à un cycle de chargement mécanique à cet âge sont moins importantes pour les contraintes plus élevées. Les résultats ont également montrés qu'au cours de la prise du ciment, il existe un temps critique à partir duquel l'application des cycles de chargement mécanique crée des déformations résiduelles dans la pâte de ciment. Ce temps critique arrive à un degré d'hydratation relativement constant, compris entre 0,18 et 0,20. Le modèle « Boundary Nucleation and Growth » a été utilisé pour étudier la dépendance de ce temps critique à la pression et à la température. Pour la modélisation du retrait macroscopique et de la réponse contrainte – déformation de la pâte de ciment, un modèle élasto-plastique chemo-poro-mécanique couplé, prenant en compte la désaturation du milieu, a été développé. Ce modèle utilise une surface de charge fermée de type Cam-Clay et une loi plastique associée. La loi d'écrouissage dépend des déformations volumiques plastiques et du degré d'hydratation. Les paramètres du modèle ont été évalués pour simuler le retrait macroscopique de la pâte de ciment hydratée sous différentes contraintes et températures. A un degré d'hydratation donnée, le modèle permet également de simuler la réponse contrainte-déformation due à un chargement mécanique / When drilling oil & gas well, cement slurry is pumped between the casing and the rock formation. This cement slurry sets at different conditions of temperature and pressure. The role of this cement sheath is to provide zonal isolation of different fluid along the well, to protect the casing against corrosion and to provide mechanical support. During the life of the well, from drilling to completion, production and P&A (plug and abandonment), the cement sheath is submitted to various mechanical and thermal loading that can potentially damage its properties and alter its performance. The behavior of cement paste submitted to theses solicitations depends both on the hydration condition and the loadings previously applied on the cement paste. The prediction of cement sheath behavior should be done by numerical modeling, which needs a constitutive law for cement paste. The purpose of the present work is to establish a constitutive law of cement paste during its hydration at early age (first 144 hours). The approach is based on combined calorimetric, wave velocities and oedometric tests on an oil-well class G cement paste with water-to-cement ratio equals 0.44. The hydration conditions explored are 7 to 30°C for temperature and 0.3 to 45MPa for pressure. The experimental results showed that the volumetric strain due to cement hydration (macroscopic shrinkage) depends considerably on the hydration pressure. At 144 hours of hydration, the macroscopic shrinkage increases with the hydration pressure increase. But, the residual strain due to application of mechanical cycle at this age is less for cement hydrated under higher pressure. The experimental results revealed that during the hydration there is a critical time after which, the application of mechanical loading can potentially induce residual strain in cement paste. This time is reached at constant hydration degree between 0.18 and 0.20. The Boundary Nucleation and Growth model was used to model the pressure and temperature dependence of this critical time. A coupled elasto-plastic chemo-poro-mechanical model is developed to simulate the macroscopic shrinkage of cement paste hydrated at different conditions of temperature and pressure. A modified Cam-Clay type yield surface with associate flow rule is used. The hardening law depends both on the degree of hydration and on the plastic volumetric strain. At constant degree of hydration, the developed model permits to simulate the stress – strain behavior of cement paste due to the mechanical loading

Lors du forage des puits d'hydrocarbure, une pâte de ciment est coulée dans l'espace annulaire entre le cuvelage en acier et les formations géologiques traversées. Pompée à l'état liquide, cette pâte de ciment fait sa prise le long du puits sous différentes conditions de température et de pression. La gaine de ciment ainsi mise en place a pour principales fonctions de promouvoir l'étanchéité pour protéger le casing contre la corrosion, de fournir le support mécanique pour assurer la stabilité du puits et d'isoler les différents fluides dans les couches traversées. Au cours de sa vie dans le puits, depuis le forage à la complétion et de la production à l'abandon, la gaine de ciment est soumise à différentes sollicitations mécaniques et thermiques qui peuvent l'endommager et altérer ses principales fonctions. La réponse de la pâte de ciment soumis à ces sollicitations dépend non seulement des conditions d'hydratation mais aussi de l'histoire des chargements précédemment appliqués. La prédiction du comportement de la gaine de ciment doit donc se faire à l'aide d'une modélisation numérique qui nécessite une loi de comportement pour la pâte de ciment. Le but de cette thèse est d'établir une loi de comportement de la pâte de ciment en cours d'hydratation pendant le jeune-âge (les 144 premières heures). Pour ce faire, des essais calorimétriques, de mesures de vitesse des ondes et des essais œdométriques ont été réalisés sur une pâte de ciment pétrolier classe G (w/c = 0,44) en cours de prise. Les conditions d'hydratation explorées vont de 7 à 30°C pour les températures et de 0,3 à 45MPa pour les pressions. Les résultats expérimentaux ont montré que les déformations volumiques de la pâte de ciment dues à son hydratation (retrait macroscopique) sont considérablement influencées par la contrainte sous laquelle la pâte de ciment s'hydrate. Plus la contrainte d'hydratation est élevée, plus élevé est le retrait macroscopique à 144 heures. Inversement, les déformations irréversibles dues à un cycle de chargement mécanique à cet âge sont moins importantes pour les contraintes plus élevées. Les résultats ont également montrés qu'au cours de la prise du ciment, il existe un temps critique à partir duquel l'application des cycles de chargement mécanique crée des déformations résiduelles dans la pâte de ciment. Ce temps critique arrive à un degré d'hydratation relativement constant, compris entre 0,18 et 0,20. Le modèle « Boundary Nucleation and Growth » a été utilisé pour étudier la dépendance de ce temps critique à la pression et à la température. Pour la modélisation du retrait macroscopique et de la réponse contrainte – déformation de la pâte de ciment, un modèle élasto-plastique chemo-poro-mécanique couplé, prenant en compte la désaturation du milieu, a été développé. Ce modèle utilise une surface de charge fermée de type Cam-Clay et une loi plastique associée. La loi d'écrouissage dépend des déformations volumiques plastiques et du degré d'hydratation. Les paramètres du modèle ont été évalués pour simuler le retrait macroscopique de la pâte de ciment hydratée sous différentes contraintes et températures. A un degré d'hydratation donnée, le modèle permet également de simuler la réponse contrainte-déformation due à un chargement mécanique / When drilling oil & gas well, cement slurry is pumped between the casing and the rock formation. This cement slurry sets at different conditions of temperature and pressure. The role of this cement sheath is to provide zonal isolation of different fluid along the well, to protect the casing against corrosion and to provide mechanical support. During the life of the well, from drilling to completion, production and P&A (plug and abandonment), the cement sheath is submitted to various mechanical and thermal loading that can potentially damage its properties and alter its performance. The behavior of cement paste submitted to theses solicitations depends both on the hydration condition and the loadings previously applied on the cement paste. The prediction of cement sheath behavior should be done by numerical modeling, which needs a constitutive law for cement paste. The purpose of the present work is to establish a constitutive law of cement paste during its hydration at early age (first 144 hours). The approach is based on combined calorimetric, wave velocities and oedometric tests on an oil-well class G cement paste with water-to-cement ratio equals 0.44. The hydration conditions explored are 7 to 30°C for temperature and 0.3 to 45MPa for pressure. The experimental results showed that the volumetric strain due to cement hydration (macroscopic shrinkage) depends considerably on the hydration pressure. At 144 hours of hydration, the macroscopic shrinkage increases with the hydration pressure increase. But, the residual strain due to application of mechanical cycle at this age is less for cement hydrated under higher pressure. The experimental results revealed that during the hydration there is a critical time after which, the application of mechanical loading can potentially induce residual strain in cement paste. This time is reached at constant hydration degree between 0.18 and 0.20. The Boundary Nucleation and Growth model was used to model the pressure and temperature dependence of this critical time. A coupled elasto-plastic chemo-poro-mechanical model is developed to simulate the macroscopic shrinkage of cement paste hydrated at different conditions of temperature and pressure. A modified Cam-Clay type yield surface with associate flow rule is used. The hardening law depends both on the degree of hydration and on the plastic volumetric strain. At constant degree of hydration, the developed model permits to simulate the stress – strain behavior of cement paste due to the mechanical loading

Le manque de granulats de qualité dans certaines régions françaises tend à devenir un problème majeur pour les entreprises de travaux publics. En effet, avec une consommation annuelle de 200 millions de tonnes de granulats, la route se doit de faire face en imaginant de nouvelles solutions comme la valorisation de certains matériaux.La craie, située entre roche et sol, possède une place particulière dans le monde des travaux publics. En effet, si son usage est relativement bien maîtrisé en vue de la réalisation de remblais ou de couches de forme, il en est tout autrement des couches d’assise de chaussées.Ce type de matériau est usuellement rejeté de la conception des assises de chaussées car il ne s’insère pas dans les guides normatifs utilisés par les professionnels de la route. Les performances mécaniques et la grande sensibilité à l’eau de ce matériau ne lui permettent pas d’entrer dans les spécifications requises par les normes. Cependant, il est tout à fait envisageable que la craie trouve sa place de manière totale ou partielle en assise de chaussée.Ce matériau que l’on trouve en abondance dans certaines régions françaises pauvres en granulats "haut de gamme" (Nord-Pas de Calais, Champagne-Ardenne…), pourrait ainsi palier un certain manque, participer à la préservation de ressources naturelles et économiser frais et pollution générés par un approvisionnement lointain.Ces travaux menés en partenariat entre le Laboratoire de Génie Civil de l’Ecole Centrale de Lille et le Laboratoire Routier Eurovia de Loos ont donc pour but de proposer des pistes d’amélioration des performances mécaniques de la craie en vue de sa valorisation en assise de chaussée routière / The lack of high quality aggregates in some French regions seems to become a main issue for road work firms. With an annual consumption of 200 millions tonnes of aggregates, road professionals must square up finding new solutions like the valorisation of some forgotten materials. Between rock and soil, chalk has a particular position in road work. While its use is relatively well managed for the realisation of fills and subgrade courses, the same certainly cannot be said for base courses. This kind of material is usually rejected for the design of road base courses because it is not approved within the current standards used by road professionals. Indeed, the low mechanical performances and the high water sensibility of chalk do not allow this material to be used. However, it seems possible to find some pre-treatments to harden chalk for a use in road base courses.This material is found profusely in some French regions otherwise limited in upscale aggregates (Nord-Pas de Calais, Champagne-Ardenne…). Therefore, valorising chalk may overcome the lack of aggregates, contribute to the preservation of natural resources, save up money and avoid pollution due to distant supplying.The study presented here is conducted in partnership between the Ecole Centrale de Lille Civil Engineering Laboratory and the Eurovia Roadworks Laboratory of Loos. We provide several trails aimed at improving the mechanical properties of chalk for its use in road base courses

Lors du forage des puits d'hydrocarbure, une pâte de ciment est coulée dans l'espace annulaire entre le cuvelage en acier et les formations géologiques traversées. Pompée à l'état liquide, cette pâte de ciment fait sa prise le long du puits sous différentes conditions de température et de pression. La gaine de ciment ainsi mise en place a pour principales fonctions de promouvoir l'étanchéité pour protéger le casing contre la corrosion, de fournir le support mécanique pour assurer la stabilité du puits et d'isoler les différents fluides dans les couches traversées. Au cours de sa vie dans le puits, depuis le forage à la complétion et de la production à l'abandon, la gaine de ciment est soumise à différentes sollicitations mécaniques et thermiques qui peuvent l'endommager et altérer ses principales fonctions. La réponse de la pâte de ciment soumis à ces sollicitations dépend non seulement des conditions d'hydratation mais aussi de l'histoire des chargements précédemment appliqués. La prédiction du comportement de la gaine de ciment doit donc se faire à l'aide d'une modélisation numérique qui nécessite une loi de comportement pour la pâte de ciment. Le but de cette thèse est d'établir une loi de comportement de la pâte de ciment en cours d'hydratation pendant le jeune-âge (les 144 premières heures). Pour ce faire, des essais calorimétriques, de mesures de vitesse des ondes et des essais œdométriques ont été réalisés sur une pâte de ciment pétrolier classe G (w/c = 0,44) en cours de prise. Les conditions d'hydratation explorées vont de 7 à 30°C pour les températures et de 0,3 à 45MPa pour les pressions. Les résultats expérimentaux ont montré que les déformations volumiques de la pâte de ciment dues à son hydratation (retrait macroscopique) sont considérablement influencées par la contrainte sous laquelle la pâte de ciment s'hydrate. Plus la contrainte d'hydratation est élevée, plus élevé est le retrait macroscopique à 144 heures. Inversement, les déformations irréversibles dues à un cycle de chargement mécanique à cet âge sont moins importantes pour les contraintes plus élevées. Les résultats ont également montrés qu'au cours de la prise du ciment, il existe un temps critique à partir duquel l'application des cycles de chargement mécanique crée des déformations résiduelles dans la pâte de ciment. Ce temps critique arrive à un degré d'hydratation relativement constant, compris entre 0,18 et 0,20. Le modèle « Boundary Nucleation and Growth » a été utilisé pour étudier la dépendance de ce temps critique à la pression et à la température. Pour la modélisation du retrait macroscopique et de la réponse contrainte – déformation de la pâte de ciment, un modèle élasto-plastique chemo-poro-mécanique couplé, prenant en compte la désaturation du milieu, a été développé. Ce modèle utilise une surface de charge fermée de type Cam-Clay et une loi plastique associée. La loi d'écrouissage dépend des déformations volumiques plastiques et du degré d'hydratation. Les paramètres du modèle ont été évalués pour simuler le retrait macroscopique de la pâte de ciment hydratée sous différentes contraintes et températures. A un degré d'hydratation donnée, le modèle permet également de simuler la réponse contrainte-déformation due à un chargement mécanique / When drilling oil & gas well, cement slurry is pumped between the casing and the rock formation. This cement slurry sets at different conditions of temperature and pressure. The role of this cement sheath is to provide zonal isolation of different fluid along the well, to protect the casing against corrosion and to provide mechanical support. During the life of the well, from drilling to completion, production and P&A (plug and abandonment), the cement sheath is submitted to various mechanical and thermal loading that can potentially damage its properties and alter its performance. The behavior of cement paste submitted to theses solicitations depends both on the hydration condition and the loadings previously applied on the cement paste. The prediction of cement sheath behavior should be done by numerical modeling, which needs a constitutive law for cement paste. The purpose of the present work is to establish a constitutive law of cement paste during its hydration at early age (first 144 hours). The approach is based on combined calorimetric, wave velocities and oedometric tests on an oil-well class G cement paste with water-to-cement ratio equals 0.44. The hydration conditions explored are 7 to 30°C for temperature and 0.3 to 45MPa for pressure. The experimental results showed that the volumetric strain due to cement hydration (macroscopic shrinkage) depends considerably on the hydration pressure. At 144 hours of hydration, the macroscopic shrinkage increases with the hydration pressure increase. But, the residual strain due to application of mechanical cycle at this age is less for cement hydrated under higher pressure. The experimental results revealed that during the hydration there is a critical time after which, the application of mechanical loading can potentially induce residual strain in cement paste. This time is reached at constant hydration degree between 0.18 and 0.20. The Boundary Nucleation and Growth model was used to model the pressure and temperature dependence of this critical time. A coupled elasto-plastic chemo-poro-mechanical model is developed to simulate the macroscopic shrinkage of cement paste hydrated at different conditions of temperature and pressure. A modified Cam-Clay type yield surface with associate flow rule is used. The hardening law depends both on the degree of hydration and on the plastic volumetric strain. At constant degree of hydration, the developed model permits to simulate the stress – strain behavior of cement paste due to the mechanical loading

Dans un puits pétrolier, une gaine de ciment est coulée entre la roche réservoir et le cuvelage d'acier. Cette gaine de ciment a un rôle primordial dans la stabilité et l'étanchéité des puits pétroliers. Durant les différentes étapes de la vie d'un puits, depuis le forage jusqu'à l'exploitation et finalement l'abandon du puits, le ciment est soumis à différentes sollicitations mécaniques et thermiques. Ces sollicitations peuvent endommager le ciment et dégrader ses propriétés mécaniques et sa perméabilité et par conséquent modifier sa contribution dans la stabilité et l'étanchéité du puits. La connaissance du comportement de ce ciment dans des conditions de fond de puits (hautes températures, fortes pressions) et de son évolution au cours du temps est essentielle pour l'analyse de fonctionnement du puits pendant l'exploitation et aussi pour garantir son étanchéité pour le stockage et la séquestration des gaz à effet de serre dans des réservoirs pétroliers abandonnés. C'est dans ce but qu'est développée cette étude sur la caractérisation du comportement thermo-poro-mécanique des ciments pétroliers sous fortes contraintes pour des températures entre 20 et 90°C. Les paramètres poro-mécaniques du ciment et leurs variations avec l'état de contraintes et la température ont été évalués dans un programme d'essais de compression isotrope drainés, non drainés et sans membrane. Un phénomène de dégradation des propriétés élastiques a été observé dans les essais. Les observations microscopiques ont montré que cette dégradation est provoquée par la microfissuration du matériau y compris sous chargement isotrope. La bonne compatibilité et la cohérence des paramètres poro-mécaniques obtenus montrent que le comportement de ciment peut être décrit dans le cadre de la théorie des milieux poreux. Les essais poro-mécaniques ont été couplés avec une évaluation de la perméabilité du ciment sous chargement en régime transitoire. Des essais déviatoriques ont été également réalisés pour étudier l'endommagement du matériau sous chargement déviatorique. Lorsqu'un puits pétrolier est soumis à de rapides variations de températures, les déformations et la surpression interstitielle qui en résultent peuvent porter atteinte à l'intégrité du puits. Ce phénomène de pressurisation thermique induit lors d'un chauffage en conditions non-drainées est dû à la différence entre le coefficient d'expansion thermique du fluide interstitiel et celui de la matrice solide. Une étude préliminaire, théorique et expérimentale a été menée sur un grès. Les effets des déformations mécaniques et thermiques du système de drainage lors d'un essai de chauffage non-drainé ont été analysés et une méthode simple a été développée pour apporter une correction aux valeurs de pressions interstitielles mesurées. Le comportement thermique du ciment a été étudié expérimentalement dans les essais de chauffage drainés et non-drainés et le coefficient de pressurisation thermique ainsi que les coefficients d'expansion thermique drainé et non-drainé du ciment ont été évalués. Le coefficient de pressurisation thermique a été évalué à 0.6 MPa/°C, ce qui montre l'importance des changements de contraintes effectives que peut occasionner un brusque changement de température. L'anomalie du comportement thermique du fluide interstitiel du ciment a été attribuée à son confinement dans les pores de très petite taille et cette anomalie a été étudiée à partir des résultats expérimentaux. En complément de travail sur le comportement du ciment, une étude expérimentale a été menée sur la loi de contrainte effective qui contrôle la perméabilité d'un calcaire et un modèle conceptuel basé sur la micro-texture du matériau a été proposé.