Dans l'industrie du pétrole et du gaz, on a estimé que plus de 500 millions de dollars US sont<br />perdus tous les ans, en raison des instabilités de puits (Chen, Tan et Haberfield, 2000, [7]).<br />Afin de limiter les problèmes d'instabilités relatifs à des excavations souterraines la prévision<br />de l'évolution des contraintes et des déformations à proximité de l'ouverture est essentielle.<br />Les essais sur des cylindres creux à parois épaisses sont un moyen facile, économique et<br />réaliste pour mieux comprendre les mécanismes de rupture de puits pétroliers. La première<br />partie de la présente recherche consistait à créer et développer un dispositif expérimental pour<br />réaliser des essais sur cylindres creux à parois épaisses sous deux conditions distinctes :<br />1) Essais sans fluide interstitiel (pour modéliser l'ouverture souterraine pendant et après le<br />creusement).<br />2) Essais avec écoulement radial convergent de fluide interstitiel (pour modéliser le puit<br />de pétrole pendant sa phase de production).<br />C'est un des avantages de ce dispositif expérimental puisque dans la majorité des cas,<br />cette possibilité d'écoulement radial n'existe pas dans les études rapportées dans la<br />littérature .La seconde partie de cette recherche est une campagne d'essais expérimentaux réalisée sur le<br />matériau artificiel appelé CPIR09. Son comportement est similaire à certain grès très poreux<br />qui constituent des réservoirs pétroliers.<br />Le mode de rupture observé dans les essais est une paire de plans de rupture radiaux<br />diamétralement opposés, parallèles à l'axe du trou et perpendiculaires à la paroi interne) qui<br />correspond à un mécanisme compactant. Les mesures montrent que les valeurs de la<br />perméabilité globale diminuent avec l'augmentation de pression externe. L'écoulement radial<br />convergent de fluide interstitiel n'a pas effet sur la forme de la rupture mais cet écoulement<br />enlève des particules de matière fracturée, ce qui crée une érosion à l'intérieure des bandes de<br />localisation. L'écoulement radial convergent de fluide interstitiel (en raison du différentiel de<br />pression interstitielle) peut légèrement diminuer la résistance des échantillons.

L'étanchéité composite géomembrane(GM)-géosynthétique bentonitique (GSB) mise en place dans les barrières de fond d'installations de stockage de déchets non dangereux (ISDnD) peut être sujette à des transferts advectifs liés à l'existence de défauts dans la GM. Les lixiviats peuvent percoler dans le GSB, pénétrer dans le sol et les nappes phréatiques sous-jacentes ce qui peut nuire à l'environnement. Il est donc important de comprendre les mécanismes de transferts dans les étanchéités composites GM-GSB et de les quantifier afin de connaitre, maitriser et minimiser l'impact des transferts advectifs à travers la barrière vers l'environnement. Cependant, l'inaccessibilité de la GM rend difficile l'estimation réelle des fuites à travers l'étanchéité composite. La présente thèse évalue via une démarche expérimentale et numérique les transferts advectifs à travers les étanchéités composites et contribue à améliorer la compréhension des mécanismes de transfert en fonction des sollicitations extérieures. Le but est de bien cerner la problématique des transferts advectifs à travers les étanchéités composites GM-GSB, combler les vides des précédentes études et mettre en évidence les principaux paramètres à prendre en compte (contrainte de confinement, hétérogénéité du GSB, qualité de contact à l'interface GM-GSB, altération chimique et physique des GSB durant leur durée de service sur site). Leur influence sur l'étanchéité de l'ensemble et sur l'évolution des caractéristiques des matériaux utilisés est étudiée. L'approche expérimentale a consisté à acquérir des données sur la rétention d'eau et à introduire la notion des surfaces d'états des GSB sous le confinement généré par les déchets. Il a été démontré que le confinement réduit le gonflement du GSB lors de son hydratation ce qui permet de diminuer sa conductivité hydraulique à saturation. Ce résultat renforce les recommandations appelant à confiner rapidement les GSB après leur mise en place afin qu'ils acquièrent rapidement toutes leurs capacités d'étanchéité. Cette étude expérimentale a été complétée par une quantification numérique des transferts à travers les étanchéités composites en prenant en compte le caractère hétérogène du GSB. Cette étude numérique de prédiction des fuites a fourni de précieux renseignements sur la réduction des débits de fuite qui s'est avérée dépendante des courbes de rétention respectives du géotextile et de la bentonite. En effet, en plus de contenir la bentonite et de promouvoir la résistance aux efforts de traction, le géotextile contribue à la réduction des débits de fuite grâce sa faible perméabilité une fois désaturé. Des expérimentations de mesure du débits de fuites et de quantification de la transmissivité d'interface pour différentes combinaisons d'étanchéités composites GM-GSB ont permis de conclure que ni les sollicitations extérieures conduisant à l'altération chimique, physique et hydraulique des GSB, conduisant à augmenter la conductivité hydraulique du GSB de 4 à 5 ordres de grandeurs, ni la qualité de la GM (en lien avec la rugosité, rigidité, épaisseur) n'affectent significativement les transferts dans les étanchéités composites GM-GSB en régime permanent. Un effet est décelé sur le régime transitoire. Une approche synthétique est enfin donnée et permet une analyse globale des transferts dans les étanchéités composites GM-GSB afin de prévoir au mieux l'impact des transferts dans les barrières vers l'environnement. Il a été confirmé que le gonflement de la bentonite intervient dans la réduction du débit de fuite à travers les étanchéités composites indépendamment de la forme granulométrique de la bentonite. Par ailleurs, il a été conclu que la phase transitoire durant laquelle une réduction des débits de fuites à travers la barrière d'étanchéité composite est observée, doit être prise en compte dans les calculs de fuites pour une prédiction réaliste et rigoureuse des fuites à travers la barrière. / Geomembrane (GM)-geosynthetic clay liner placed in bottom landfill barriers could be faced to advective transfers caused by the appearance of GM defects. Leachate could percolate naturally through the GCL; penetrate the soil and the ground water which could result in environmental damage. It's therefore important to understand leakage transfer mechanism though GM-GCL composite liners and quantify them in order to be aware, to master and to minimize advective transfer impact through the barrier to the environment. However, the GM is not accessible in bottom land fill liner which makes it harder to correctly estimate leakage through the composite liner. The present work used to evaluate advective transfer through GM-GCL composite liner via an experimental and numerical approach. This work used also to ameliorate the comprehension of leakage transfer mechanisms as a function of external solicitations compared to the literature. The purpose of this study was thus to properly identify advective transfer problem through composite liner by highlighting the main parameters affecting advective transfers through composite liners (confining stress, heterogeneity of the GCL composition, contact quality at the GM-GCL interface, chemical and physical alteration during its service life). Those parameters influence the whole barrier performances and material characteristics evolution were studied. Experimental program was dealing with acquiring water retention data of GCL by introducing state surface concept under the confining stress generated by the waste. It has been found that confining stress used to reduce GCL swelling facilities while hydrated and consequently lead to the decrease of the saturated hydraulic conductivity. This result emphasizes on landfill conception recommendations based on rapidly covering the GCL in in order to acquiring its watertightness capabilities. This experimental study was reinforced by a numerical computation study dealing with water transfer through composite liner due to a GM defect and a hydraulic head with considering the heterogeneity of the GCL. This numerical study highlighted new phenomena regulating flow rate through composite liners consisting of geotextile deaturation due to high suction performed by the bentonite as part of the GCL. Indeed, in addition to containing the bentonite and providing tensile shear stresses, the geotextile contribute to reduce the flow rate through composite liner thanks to its high hydraulic conductivity while desaturated. Interface transmissivity tests were also carried for different composite liners combinations. Measurements concluded that neither external solicitations resulting from chemical and physical alteration conducting to the increase of the hydraulic conductivity of the GCL nor the quality of the GM (in relation with its roughness, rigidity and thickness) significantly affect advective transfer through composite liners at the steady state. However an effect was highlighted during transient state. A synthetic approach was thus given to summarize composite liners transfers mechanism and anticipate environmental impact of its leakage. It was later confirmed that the bentonite swelling contributes also to flow rate reduction through composite liner regardless of the bentonite nature and granulometry. In addition, it has been concluded that the transient state within which flow rate reduction though has been observed must be taken into consideration to realistically predict flow rate leakage through composite liners.

Cette thèse rapporte les résultats d'études expérimentales effectuées à l'?domètre avec imposition de succion par la méthode osmotique sur des matériaux gonflants compactés lâches et naturels denses. Plusieurs cycles de séchage/humidification ont été appliqués sur ces matériaux sous trois faibles charges mécaniques constantes. Pendant ces cycles, les éprouvettes manifestent un retrait cumulé pour le sol lâche et un gonflement cumulé pour le sol dense. Les résultats montrent que dans les deux cas, les déformations volumiques convergent vers un état d'équilibre où le sol présente un comportement réversible. A la fin des cycles de succion, un cycle de chargement/déchargement a été effectué sous les succions constantes. Les valeurs de la pression de préconsolidation p0(s), de l'indice de compression vierge lambda(s) et de l'indice de compression élastique lambda dépendent directement des chemins de contrainte suivis.<br>L'ensemble des résultats expérimentaux permet de déterminer les surfaces de charge : la limite de séparation de micro/macro (Lm/M) ; la surface de chargement-effondrement (LC) et la surface de comportement saturé (SCS). La succion limite entre la micro- et la macrostructure (Lm/M) dépend parfaitement de la structure interne et du diamètre qui délimite les deux familles de pores. L'évolution de la pression de préconsolidation en fonction de la succion imposée est présentée par la surface LC. Les courbes de compressibilité sous différentes succions convergent vers la courbe correspondant à l'état saturé sous de fortes contraintes appliquées. La pression à partir de laquelle, le sol continue son chemin sur la courbe du comportement normalement consolidé est appelée la pression de saturation (Psat). Plus la succion imposée est élevée, plus la charge nécessaire pour atteindre cette pression de saturation est importante. La surface SCS présente la variation de la pression de saturation en fonction de la succion imposée. Nous pouvons considérer que les surfaces de charge SCS et LC sont uniques pour les sols denses cependant elles se superposent à la fin des cycles de succion pour les sols lâches. Les cycles hydriques augmentent aussi la limite (Lm/M) entre la micro- et la macrostructure pour les deux sols.

La desquamation en plaque est une forme de dégradation de la pierre monumentale fréquemment observée. Cette morphologie spécifique résulte de l’initiation et la propagation d’une fissure subparallèle à la surface, qui subit diverses sollicitations en conditions naturelles d’exposition. L’objectif de cette recherche est de mieux comprendre ces mécanismes d’altération et d’appréhender les paramètres déterminants dans l’initiation de la fissuration au sein des pierres mises en œuvre. Une approche en mécanique de la rupture a ainsi été proposée. L’influence des minéraux argileux, mis en cause dans ce phénomène, est étudiée et discutée. Trois pierres ont été sélectionnées, une molasse, un grès et une kersantite, présentant de nombreux exemples de desquamation lorsqu’elles sont exposées. Leur comportement hydromécanique est caractérisé en tenant compte de leur anisotropie naturelle. Les propriétés élastiques, la résistance à la traction et la ténacité sont mesurées après saturation, pour plusieurs humidités relatives en phase d’humidification et de séchage, et après plusieurs cycles de variations d’humidité relative. Un couplage de mesure des dilatations et des vitesses d’ondes acoustiques a permis un suivi précis de l’endommagement au fil des cycles. L’influence des minéraux argileux dans les processus d’altération a pu être vérifiée. Ces phases ont été identifiées comme des facteurs essentiels de la dégradation, car elles constituent des plans de fragilité favorisant l’endommagement et la fissuration du matériau, et ce d’autant plus qu’elles se dilatent lors des sollicitations naturelles. / Flaking is a deterioration pattern widely observed on monumental stone heritage. This pattern is due to the initiation and propagation of a crack subparallel to the surface of the stone exposed to natural weathering. This research aims to better understand the alteration mechanisms and to determine the parameters involved in such crack initiation within monumental stones. A fracture mechanics approach is proposed and the influence of clay minerals on this detachment alteration is discussed. The research is carried out on three stones, a molasse, a sandstone and a kersantite, showing scaling effect when submitted to natural conditions. Their hydromechanical behaviour is studied with respect to their natural anisotropy. Elastic properties, tensile strength and toughness are measured after saturation, at various RH values during humidification and drying, and after several cycles. Wave propagation combined with dilatation measurements is used to follow damage during the RH variations cycles. The influence of clay minerals on alteration processes is verified. These phases are critical factors of stone degradation as they are weakness planes leading to damage and cracking, especially generated by their swelling.

Les sols argileux peuvent présenter des variations importantes de volume lors d’un changement hydrique, tel une période de sécheresse. Ce phénomène de retrait-gonflement des sols argileux est à l’origine de nombreux préjudices aux bâtis ce qui le situe, après les inondations, au second rang des aléas naturels français en matière de coût des dommages : 5 milliard d’euros entre 1988 et 2007. Les maisons individuelles sont les plus touchées par ce phénomène qui provoque un tassement différentiel du bâti à l’origine de sa dégradation (fissures dans les éléments de maçonnerie non armée en particulier). L’objectif de cette thèse est d’étudier la vulnérabilité des bâtis vis-à-vis de l’aléa retrait-gonflement à travers une analyse de l’interaction sol-structure. Ce travail s’est porté sur les trois grands volets suivants : 1 - le comportement hydromécanique des sols argileux, 2 - l’interaction sol-structure, 3 - l’évaluation des dommages structuraux. Le comportement hydromécanique des sols argileux a été modélisé par le concept de surface d’état et intégré dans un modèle d’interaction sol-structure inspiré du modèle de Winkler, avec des approches de plus en plus complexes : cas unidimensionnel tout d’abord, 2D ensuite en assimilant la structure à une poutre, puis en 3D en représentant la structure par une plaque. Ces modèles d’interaction sol-structure permettent de calculer la déflexion relative d’un bâti, en fonction d’une valeur de succion imposée et des propriétés mécaniques ou hydromécaniques de la structure et du sol d’assise. La déflexion relative du bâti est alors comparée à des valeurs seuils afin d’évaluer le dommage.La dernière partie de cette thèse consiste en une étude de faisabilité pour le développement de courbes de vulnérabilités adaptées à la problématique du retrait gonflement. Ces courbes représentent la moyenne des dommages d’un type de bâti conçu sur un type de sol gonflant pour une valeur de succion imposée. Ces courbes ont été développées à partir d’une typologie des sols gonflants et d’une typologie des bâtis issue des bases de données des maisons sinistrées. La moyenne des dommages est calculée par la méthode de Monte-Carlo, en prenant en compte la variabilité des paramètres du bâti. / Clayey soils can present large volumetric deformations in response of water content change. This phenomenon of shrinkage and swelling of clayey soils is recognized as a costly natural hazard throughout the world. In France, this cost is reported between 1988 and 2007 to 5 million Euros, ranking in second class of the French natural hazards in terms of cost of damage after the floods. The individual masonry buildings with shallow foundations are the most affected by this phenomenon that causes a differential settlement of the building leading to cracks in facades and structural elements, especially in unreinforced masonry elements.The objective of this thesis was to study the vulnerability of the building, against the shrink-swell hazard through an analysis of soil-structure interaction. This work was focused on three major points: - Hydro-mechanical behavior of clay soils - Soil-structure interaction - Evaluation of structural damage.The hydro-mechanical behavior of clay soils was considered by the concept of state surface and integrated into a soil-structure interaction model, based on the Winkler model, with increasingly complex approaches: 1D, 2D and 3D by modeling the building behavior respectively by a spring system, the beam element and the plate element. These models of soil-structure interaction are able to calculate the relative deflection of the building, according to the values of imposed suction, mechanical properties of the structure and hydro-mechanical properties of the soil. The relative deflection of the building is then compared to threshold values of the classical damage categories to assess the building damage.Finally a feasibility study was conducted on the development of vulnerability curves adapted to the problem of shrinkage – swelling of clayey soils. These curves represent the average of structural damage versus suction, for each type of building. These curves were developed based on a classification of expansive soils and a building typology outcome from databases of affected buildings. The average damage is calculated by the Monte-Carlo method, taking into account the variability of the building parameters.

Dans le but de vérifier l'efficacité des dispositifs de scellement ou des barrières ouvragées dans le stockage géologique des déchets radioactifs, l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) a mis en œuvre le projet expérimental SEALEX (SEALing performance EXperiments) auquel ce travail est étroitement lié. Dans le cadre de ce projet, des essais in-situ sont effectués à l'échelle représentative et dans des conditions naturelles sur un mélange compacté de bentonite et de sable. Ce matériau de mélange a été choisi pour sa faible perméabilité et surtout pour sa capacité de gonflement qui permet de colmater les vides existant dans le système, notamment le vide technologique correspondant au vide radial entre le noyau de scellement et la roche hôte et qui est inévitable au cours de l'installation du noyau dans le forage. Une fois les vides scellés, le gonflement à volume constant engendre une pression de gonflement aussi bien sur la roche hôte (radiale) que sur les structures de confinement en béton (axiale). Le comportement de ce matériau dans ces conditions de couplages hydromécaniques est alors étudié dans ce travail. La microstructure du matériau à son état initial a été premièrement examinée par micro-tomographie rayons-X. Ceci a permis de voir la distribution des grains de bentonite et de sable ainsi que le réseau de pores dans l'échantillon. Des macro-pores se sont retrouvés concentrés à la périphérie de l'échantillon ainsi qu'entre les grains de sable, ce qui pourra affecter à court terme la perméabilité. L'hydratation du même matériau en condition de gonflement limité a été ensuite observée par une photographie 2D et par la micro-tomographie aux rayons-X. Le mécanisme de gonflement par production de gel de bentonite, la cinétique de gonflement, la diminution de densité et l'homogénéisation du matériau final on été analysés. L'hydratation en conditions de gonflement empêché a été aussi étudiée par des essais où la pression de gonflement a été mesurée dans deux directions : radialement et axialement. La différence retrouvée entre les pressions de gonflement axiales et radiales a évoqué la présence d'une anisotropie de microstructure qui a été analysée en fonction de la masse volumique sèche de bentonite dans le mélange. Des essais en modèle réduit reproduisant à une échelle 1/10ème les essais in situ (SEALEX) ont été également effectués afin d'étudier le comportement du noyau compacté après la reprise des vides au cas d'un accident détruisant les éléments de confinement. Des mesures locales de pression de gonflement le long des échantillons ont permis de mettre en évidence l'évolution du gradient de densité durant le gonflement axial. Finalement une comparaison entre les résultats obtenus dans ce travail et ceux d'un essai in situ (SEALEX) a été faite. Une bonne correspondance entre les valeurs d'humidités relatives a été retrouvée pour les mêmes longueurs d'hydratation tout en prenant en compte la saturation par le vide technologique radial. Par contre, la comparaison des évolutions et des valeurs de pressions de gonflement était plus compliquée vu les différences de configurations des essais / In order to verify the effectiveness of the geological high-level radioactive waste disposal, the French Institution of Radiation protection and Nuclear Safety (IRSN) has implemented the SEALEX project to control the long-term performance of swelling clay-based sealing systems, and to which this work is closely related. Within this project, In-situ tests are carried out on compacted bentonite-sand mixture in natural conditions and in a representative scale. This material is one of the most appropriate sealing materials because of its low permeability and good swelling capacity. Once installed, this material will be hydrated by water from the host-rock and start swelling to close all gaps in the system, in particular the internal pores, rock fractures and technological voids. Afterwards, swelling pressure will develop. In the present work, laboratory experiments were performed to investigate the sealing properties under this complex hydro-mechanical conditions taking into consideration the effect of technological voids. The microstructure of the material in its initial state was first examined by microfocus X-ray computed tomography (µCT). This allowed identification of the distribution of grains of sand and bentonite as well as the pores in the sample. Macro-pores are found concentrated at the periphery of the sample and between the grains of sand, which could affect in the short term the permeability. The hydration of the same material in limited swelling conditions was then observed by 2D photography and 3D µCT. The swelling mechanism with bentonite gel production, the swelling kinetics, the density decrease and the homogenisation of the material were analyzed. The hydration in the conditions of prevented swelling was also studied by swelling pressure tests with radial and axial measurements of swelling pressure. The difference found between the axial and radial swelling pressures suggested the presence of an anisotropic microstructure. Mock-up tests at a 1/10 scale of the in situ SEALEX tests were carried out for the study of the recovery capacity of the mixture in case of an accident causing the failure of the confining structures. Local measurements of swelling pressures along the sample allowed analysis of the density gradient evolution during axial swelling. Finally, a comparison between the laboratory results and those from an in-situ test was done, showing a good fitting in the relative humidity curves for the same infiltration length while considering the saturation effect from the technological void. The swelling pressure comparison was more complex because of the different configurations of the tests (existence of technological void in-situ that could affect the kinetics)

Les sols argileux peuvent présenter des variations importantes de volume lors d'un changement hydrique, tel une période de sécheresse. Ce phénomène de retrait-gonflement des sols argileux est à l'origine de nombreux préjudices aux bâtis ce qui le situe, après les inondations, au second rang des aléas naturels français en matière de coût des dommages : 5 milliard d'euros entre 1988 et 2007. Les maisons individuelles sont les plus touchées par ce phénomène qui provoque un tassement différentiel du bâti à l'origine de sa dégradation (fissures dans les éléments de maçonnerie non armée en particulier). L'objectif de cette thèse est d'étudier la vulnérabilité des bâtis vis-à-vis de l'aléa retrait-gonflement à travers une analyse de l'interaction sol-structure. Ce travail s'est porté sur les trois grands volets suivants : le comportement hydromécanique des sols argileux, l'interaction sol-structure et l'évaluation des dommages structuraux. Le comportement hydromécanique des sols argileux a été modélisé par le concept de surface d'état et intégré dans un modèle d'interaction sol-structure inspiré du modèle de Winkler, avec des approches de plus en plus complexes : cas unidimensionnel tout d'abord, 2D ensuite en assimilant la structure à une poutre, puis en 3D en représentant la structure par une plaque. Ces modèles d'interaction sol-structure permettent de calculer la déflexion relative d'un bâti, en fonction d'une valeur de succion imposée et des propriétés mécaniques ou hydromécaniques de la structure et du sol d'assise. La déflexion relative du bâti est alors comparée à des valeurs seuils afin d'évaluer le dommage. La dernière partie de cette thèse consiste en une étude de faisabilité pour le développement de courbes de vulnérabilités adaptées à la problématique du retrait gonflement. Ces courbes représentent la moyenne des dommages d'un type de bâti conçu sur un type de sol gonflant pour une valeur de succion imposée. Ces courbes ont été développées à partir d'une typologie des sols gonflants et d'une typologie des bâtis issue des bases de données des maisons sinistrées. La moyenne des dommages est calculée par la méthode de Monte-Carlo, en prenant en compte la variabilité des paramètres du bâti.

L'effet de serre lié à l'émission de CO2 a conduit à des projets de stockage de ce gaz dans des formations réservoirs. Ces formations peuvent être traversées de failles et l'examen de la sûreté du stockage nécessite alors l'étude du risque de réactivation et de propagation de ces failles. Cette étude passe par des investigations approfondies portant sur des conditions de propagation des fractures sous sollicitations hydromécaniques. Cette thèse a pour objectif l'étude théorique et numérique de ces conditions ainsi que la simulation numérique de la propagation. La modélisation numérique des processus thermo-hydro-mécaniques dans les milieux poreux fracturés par la méthode des éléments finis (MEF) permet de simuler des phénomènes complexes et non linéaires. Les difficultés liées à l'intégration des équations d'échanges de fluide entre la fracture et la matrice environnante avec la MEF ont été résolues dans des travaux récents et nos simulations numériques ont pu être basées sur cette méthode. Dans un premier temps, nous avons modélisé l'écoulement transitoire dans et au voisinage d'une fracture soumise à une injection de fluide et nous avons étudié le facteur d'intensité des contraintes (FIC) à l'extrémité de la fracture dans le cadre de la théorie de la poroélasticité linéaire. Si les conditions d'injection sont maintenues constantes et la fracture n'évolue pas, l'écoulement tend vers un état stationnaire. Le FIC évolue au cours de la phase transitoire pour atteindre une valeur limite dans l'état stationnaire. La modélisation de l'écoulement transitoire est très coûteuse en temps de calcul et il est intéressant de trouver un moyen d'exploiter au mieux les résultats d'un calcul en état stationnaire. L'analyse théorique et les résultats des simulations numériques montrent en effet que le FIC calculé à l'état stationnaire peut fournir certaines bornes pour la propagation des fractures sous l'écoulement transitoire. Dans le cadre de la poroélasticité linéaire et de l'écoulement de Poiseuille dans les fractures, des expressions semi-analytiques pour le FIC à l'état d'écoulement stationnaire ont pu être dérivées. Pour des géométries simples, ces formules approximatives se révèlent efficaces pour discuter des conditions de propagation des fractures pour des cas typiques et simples de géométrie de la fracture et des conditions d'injection de fluide. Dans un deuxième temps, un Modèle de Fracture Cohésive (MFC) a été utilisé pour modéliser la propagation de fracture sur la base de l'endommagent. Ce modèle, basé sur un critère de rupture de Mohr–Coulomb modifié, permet de simuler l'endommagement de l'interface à la fois sous sollicitations en mode I et II. Une relation d'équivalence entre les paramètres de ce modèle et du modèle de Mécanique Linéaire de la Rupture (MLR) a été établie sur la base de la longueur de propagation de fracture sous des charges similaires. Cette relation permet l'extension de l'équivalence théorique entre MLR et MFC établie pour les matériaux fragiles et sur la base de critères énergétiques, à des matériaux quasi-fragiles et ductiles. On a d'ailleurs montré que le MFC permet de simuler certains phénomènes spécifiques tels qu'instabilités de propagation en mode I et II et le branchement de la fracture en mode II. Enfin, la prise en compte de la pression de fluide dans la fracture a permis d'obtenir un modèle de MFC couplé avec l'hydraulique qui a été implémenté dans un code numérique aux éléments finis en vue d'étudier la propagation des fractures sous sollicitations hydromécaniques. Des simulations numériques ont été réalisées afin d'étudier le risque de réactivation et de propagation des failles dans le contexte de stockage du CO2 en particulier dans une configuration de formation réservoir du type Bassin de Paris / Global warming effect related to CO2 emission has led to sequestration projects of this gas in reservoir formations. These formations can be crossed by faults and safety issue of storage requires the study of fault reactivation and propagation risk. This study goes through in-depth investigations of fracture propagation conditions under hydromechanical solicitations. This thesis aims at theoretical and numerical studies of these conditions and the numerical simulation of fracture propagation. Numerical modelling of thermo-hydro-mechanical processes in fractured porous media using Finite Element Method (FEM) allows the simulation of complex and nonlinear phenomena. Difficulties in integrating fluid mass exchange between fracture and surrounding matrix in the equations with FEM have been solved in recent works and our numerical simulations have been based on this progress. In a first step, we modelled transient flow subjected to a fluid injection and we studied the Stress Intensity Factor (SIF) at fracture tip in the framework of linear poroelasticity theory. If injection conditions are kept constant and the fracture does not evolve, the flow tends to a steady state. The SIF develops during transient phase to reach a limit value in the steady state. Modelling of transient flow is very time consuming and it is interesting to find a method to exploit the results of a calculation in steady state. Theoretical analysis and results of numerical simulations show that the SIF calculated at steady state can provide some bounds for fracture propagation under transient flow. In the framework of linear poroelasticity and Poiseuille flow in fractures, some semi-analytical expressions of SIF at steady state could be derived. For simple geometries, these approximate formulations are efficient to discuss fracture propagation conditions for typical and simple cases of fracture geometry and fluid injection conditions. In a second step, a Cohesive Zone/Fracture Model (CFM) was used to model fracture propagation on the basis of damage. This model, based on a modified Mohr-Coulomb failure criterion, simulates interface damage under both mode I and II loads. An equivalence relation between parameters of CFM and Linear Elastic Fracture Mechanics model (LEFM) was established on the basis of fracture propagation length under similar loads. This relationship allows the extension of theoretical equivalence between LEFM and CFM established for brittle materials and on the basis of energy criteria, for quasi-brittle and ductile materials. It has also shown that CFM can simulate specific phenomena such as propagation instabilities for mode I and II and fracture kinking under mode II. Finally, taking into account the fluid pressure in the fracture permitted to obtain a CFM coupled with hydraulic processes which has been implemented in a numerical finite element code to study fracture propagation under hydromechanical solicitations. Numerical simulations were performed to study the risk of fault reactivation and propagation in the context of CO2 injection in Paris Basin reservoir formation

Dans le but de vérifier l'efficacité des dispositifs de scellement ou des barrières ouvragées dans le stockage géologique des déchets radioactifs, l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) a mis en œuvre le projet expérimental SEALEX (SEALing performance EXperiments) auquel ce travail est étroitement lié. Dans le cadre de ce projet, des essais in-situ sont effectués à l'échelle représentative et dans des conditions naturelles sur un mélange compacté de bentonite et de sable. Ce matériau de mélange a été choisi pour sa faible perméabilité et surtout pour sa capacité de gonflement qui permet de colmater les vides existant dans le système, notamment le vide technologique correspondant au vide radial entre le noyau de scellement et la roche hôte et qui est inévitable au cours de l'installation du noyau dans le forage. Une fois les vides scellés, le gonflement à volume constant engendre une pression de gonflement aussi bien sur la roche hôte (radiale) que sur les structures de confinement en béton (axiale). Le comportement de ce matériau dans ces conditions de couplages hydromécaniques est alors étudié dans ce travail. La microstructure du matériau à son état initial a été premièrement examinée par micro-tomographie rayons-X. Ceci a permis de voir la distribution des grains de bentonite et de sable ainsi que le réseau de pores dans l'échantillon. Des macro-pores se sont retrouvés concentrés à la périphérie de l'échantillon ainsi qu'entre les grains de sable, ce qui pourra affecter à court terme la perméabilité. L'hydratation du même matériau en condition de gonflement limité a été ensuite observée par une photographie 2D et par la micro-tomographie aux rayons-X. Le mécanisme de gonflement par production de gel de bentonite, la cinétique de gonflement, la diminution de densité et l'homogénéisation du matériau final on été analysés. L'hydratation en conditions de gonflement empêché a été aussi étudiée par des essais où la pression de gonflement a été mesurée dans deux directions : radialement et axialement. La différence retrouvée entre les pressions de gonflement axiales et radiales a évoqué la présence d'une anisotropie de microstructure qui a été analysée en fonction de la masse volumique sèche de bentonite dans le mélange. Des essais en modèle réduit reproduisant à une échelle 1/10ème les essais in situ (SEALEX) ont été également effectués afin d'étudier le comportement du noyau compacté après la reprise des vides au cas d'un accident détruisant les éléments de confinement. Des mesures locales de pression de gonflement le long des échantillons ont permis de mettre en évidence l'évolution du gradient de densité durant le gonflement axial. Finalement une comparaison entre les résultats obtenus dans ce travail et ceux d'un essai in situ (SEALEX) a été faite. Une bonne correspondance entre les valeurs d'humidités relatives a été retrouvée pour les mêmes longueurs d'hydratation tout en prenant en compte la saturation par le vide technologique radial. Par contre, la comparaison des évolutions et des valeurs de pressions de gonflement était plus compliquée vu les différences de configurations des essais

La présente étude concerne le comportement hydromécanique des matériaux compactés à base de bentonite pour le stockage des déchets radioactifs en grande profondeur. Trois matériaux candidats ont été étudiés : la bentonite (MX80) pure, le mélange bentonite/argilite broyée et le mélange bentonite/sable. Une étude expérimentale sur la pression de gonflement du mélange bentonite/argilite a été premièrement réalisée. Cette étude a mis en évidence l'effet de la salinité de l'eau, de la procédure et la durée d'hydratation, du pré-existant vide technologique et des méthodes expérimentales. Une importante relation entre la pression de gonflement et la densité sèche finale de la bentonite a été élaborée. Ensuite, des essais de rétention d'eau, des essais d'hydratation et des essais oedométriques à succion contrôlée ont été réalisés sur des échantillons à différentes porosités tout en considérant la présence du vide technologique. En introduisant les paramètres comme indice des vides de la bentonite et le ratio volume d'eau, une analyse globale des effets des vides sur la réponse hydromécanique de la barrière ouvragée a été effectuée. Pour obtenir un meilleur aperçu de l'évolution de l'étanchéité dans le cas de vide technologique, l'effet de densité sèche finale (densité après fermeture de vide technologique) et du temps d'hydratation sur la microstructure a été, de même, étudié. La perméabilité de ce matériau à l'état non saturé a été ensuite étudiée en réalisant des essais de rétention d'eau et d'infiltration ainsi que par des observations de la microstructure. Les résultats obtenus ont permis de relier la variation de la conductivité hydraulique non saturée aux changements de la microstructure. Une expérimentation en modèle réduit reproduisant à une échelle 1/10ème les essais in-situ (SEALEX) a été effectuée, et cela pour étudier la reprise des vides à long terme d'un mélange compacté bentonite/sable, tout en considérant la présence d'un vide technologique. Les résultats ont été utilisés pour interpréter les observations de l'essai in situ. A une échelle de temps réduite, cette étude fournit des informations utiles pour estimer la durée et l'efficacité de la conception en place. Finalement, les données expérimentales obtenues dans le laboratoire sur le mélange bentonite/sable ont été interprétées dans le cadre du modèle de Barcelone (BExM). Après comparaison des résultats expérimentaux avec le modèle, les performances et les limitations du modèle ont été analysées / This study deals with the hydro-mechanical behaviour of compacted bentonite-based materials used as sealing materials in high-level radioactive waste repositories. The pure MX80 bentontie, mixtures of MX80/crushed claystone and MX80/sand were used in the investigation. An experimental study on the swelling pressure of the bentonite-based materials was first performed. The results evidenced the effects of water chemistry, hydration procedure and duration, pre-existing technological void and experimental methods. Emphasis was put on the relationship between the swelling pressure and the final dry density of bentonite. Afterwards, the water retention test, hydration test and suction controlled oedometer test were conducted on samples with different voids including the technological void and the void inside the soil. By introducing the parameters as bentonite void ratio and water volume ratio, an overall analysis of the effects of voids on the hydro-mechanical response of the compacted material was performed. To get better insight into the seal evolution in case of technological void, the effects of final dry density and hydration time on the microstructure features were also characterized. Then, the hydraulic properties under unsaturated state were investigated by carrying out water retention test and infiltration test as well as the microstructure observation. The results obtained allowed relating the variation of hydraulic conductivity to the microstructure changes. A small scale (1/10) mock up test of the SEALEX in situ experiment was also performed to study the recovery capacity of bentonite-based material with consideration of a technological void. The results were used for interpreting the in-situ observations. With a reduced time scale, it provides useful information for estimating the saturation duration and sealing effectiveness of the field design. Finally, the experimental data obtained in the laboratory on bentonite/sand mixture were interpreted in the framework of the Barcelona Expansive Model (BExM). By comparing the model with the experimental results, the performance and limitation of the model were analyzed