L'instabilité des blocs situés à la surface des excavations souterraines est un problème courant dans les milieux rocheux fracturés. Comme les méthodes exactes prenant en compte tous les blocs et leurs interactions sont très lourdes, l'approche des Blocs Isolés est souvent adoptée. Elle consiste à étudier chaque bloc en considérant qu'il est rigide et que le reste de la masse rocheuse est rigide et fixe. Néanmoins, aucune des méthodes existantes adoptant cette approche ne prend en compte de façon rigoureuse les contraintes initiales et le comportement des joints. Dans cette thèse, on développe une nouvelle méthode qui apporte des améliorations importantes aux méthodes conventionnelles de Blocs Isolés. Connaissant les contraintes initiales, on rend compte du processus d'excavation par le déchargement de la face libre du bloc. Les efforts sur les faces du bloc en contact avec la roche sont alors modifiés en respectant l'équilibre des forces et des moments, la loi de comportement des joints et le mouvement de corps solide du bloc. On aboutit ainsi à un système linéaire où les seules inconnues sont les vecteurs translation et rotation du bloc. Deux modèles sont proposés : le premier considère un comportement linéaire élastique des joints et, par conséquent, la stabilité est évaluée a posteriori. Le deuxième modèle, plus pertinent, considère un comportement hyperbolique des joints dans la direction normale et élastoplastique dans la direction tangentielle avec prise en compte de la dilatance. La méthode numérique adoptée pour la résolution du problème non linéaire est une intégration explicite dans le temps cinématique avec des pas de déchargement constants. La technique d'intégration surfacique utilisée permet d'étudier toute forme géométrique de bloc. La méthode proposée a été validée puis comparée aux méthodes conventionnelles. Des études paramétriques ont montré l'influence des contraintes initiales et des propriétés mécaniques des joints sur la stabilité. Le soutènement a été aussi intégré dans le code développé. Finalement, la nouvelle méthode a été appliquée pour l'étude d'un assemblage de blocs autour d'une excavation souterraine et comparée à un modèle prenant en compte tous les blocs via la méthode des Éléments Distincts. Elle a été aussi utilisée pour restituer un cas réel de chute de blocs. / Failure of rock blocks located at the surface of underground excavations is a common problem in discontinuous rock masses. Since exact methods that take into account all blocks and their interactions are computationally hard, the Isolated Blocks method is usually adopted. It consists in studying each block considering it to be rigid and the surrounding rock mass to be rigid and fixed. Nevertheless, none of the existing methods based on this approach takes into account initial stresses and joints behavior rigorously. In this thesis, a new method providing significant improvements to conventional Isolated Blocks methods is developed. Considering that initial stresses are known, the excavation process is modeled by unloading the block's free face. Stresses acting on the faces in contact with the rock mass are then resolved by taking into account force and moment balance equations, joints behavior and rigid body movement. This leads to a linear system where the block's translation and rotation vectors are the only unknowns.Two models are proposed: the first one assumes linear elastic joint behavior, thus the stability is evaluated a posteriori. The second, more realistic model, assumes joint behavior to be hyperbolic in the normal direction and elastoplastic in the tangential direction, while also accounting for dilatancy. This non-linear problem is solved numerically by explicit integration in the kinematic time with constant deconfining steps. Also, thanks to the surface integration technique used, any block geometry can be studied. The method proposed is validated and compared to other conventional methods. Parametric studies show the influence of initial stresses and the joints' mechanical properties on the stability. Rock support modeling is also integrated into the code. Finally, the new method is applied to study an assemblage of blocks around an underground excavation and is compared to a model that takes into account all the blocks with the Distinct Element Method. It is also used to reproduce an actual block failure case.

L'instabilité des blocs situés à la surface des excavations souterraines est un problème courant dans les milieux rocheux fracturés. Comme les méthodes exactes prenant en compte tous les blocs et leurs interactions sont très lourdes, l'approche des Blocs Isolés est souvent adoptée. Elle consiste à étudier chaque bloc en considérant qu'il est rigide et que le reste de la masse rocheuse est rigide et fixe. Néanmoins, aucune des méthodes existantes adoptant cette approche ne prend en compte de façon rigoureuse les contraintes initiales et le comportement des joints. Dans cette thèse, on développe une nouvelle méthode qui apporte des améliorations importantes aux méthodes conventionnelles de Blocs Isolés. Connaissant les contraintes initiales, on rend compte du processus d'excavation par le déchargement de la face libre du bloc. Les efforts sur les faces du bloc en contact avec la roche sont alors modifiés en respectant l'équilibre des forces et des moments, la loi de comportement des joints et le mouvement de corps solide du bloc. On aboutit ainsi à un système linéaire où les seules inconnues sont les vecteurs translation et rotation du bloc. Deux modèles sont proposés : le premier considère un comportement linéaire élastique des joints et, par conséquent, la stabilité est évaluée a posteriori. Le deuxième modèle, plus pertinent, considère un comportement hyperbolique des joints dans la direction normale et élastoplastique dans la direction tangentielle avec prise en compte de la dilatance. La méthode numérique adoptée pour la résolution du problème non linéaire est une intégration explicite dans le temps cinématique avec des pas de déchargement constants. La technique d'intégration surfacique utilisée permet d'étudier toute forme géométrique de bloc. La méthode proposée a été validée puis comparée aux méthodes conventionnelles. Des études paramétriques ont montré l'influence des contraintes initiales et des propriétés mécaniques des joints sur la stabilité. Le soutènement a été aussi intégré dans le code développé. Finalement, la nouvelle méthode a été appliquée pour l'étude d'un assemblage de blocs autour d'une excavation souterraine et comparée à un modèle prenant en compte tous les blocs via la méthode des Éléments Distincts. Elle a été aussi utilisée pour restituer un cas réel de chute de blocs.

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

Le comportement à long terme des excavations souterraines est un enjeu social et économique majeur, en particulier dans le contexte du stockage en formation géologique profonde de déchets nucléaires à Haute Activité et Vie Longue (HAVL). Plusieurs galeries expérimentales ont été creusées dans le laboratoire de recherche souterrain de Meuse/Haute-Marne situé près de Bure en France, où des études sont menées pour comprendre le comportement global de la roche constitutive : l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx).L’objectif de cette thèse est d’effectuer une modélisation avec Code_Aster d’ouvrages souterrains, et en particulier d’une des galeries du laboratoire de Meuse/Haute-Marne, en prenant en compte une approche non locale, l’effet du fluage et le couplage hydromécanique dans le cadre de la mécanique des milieux poreux, et de comparer les résultats numériques avec les données expérimentales disponibles.Le modèle élastoviscoplastique spécifiquement utilisé pour cette étude est le modèle L&K : il offre d’une part un couplage entre le comportement instantané et différé, et prend en compte d’autre part la dilatance, paramètre qui gouverne les déformations volumiques du matériau lors d’une sollicitation, et ses fortes variations, caractéristique essentielle des géomatériaux et en particulier du COx. La présence d’un fluide s’écoulant à travers le matériau va ajouter une composante hydraulique à la modélisation, dont le couplage avec la mécanique est assuré par les équations de Biot. Une autre nouveauté de ce travail concerne le couplage entre ce comportement rhéologique complexe et une approche non locale dans un cadre industriel. Parmi les méthodes de régularisation disponibles dans Code_Aster, la méthode second gradient de dilatation a été choisie parce que bien adaptée aux géomatériaux. Son but est de corriger la dépendance au maillage et les solutions numériques localisées.Une fois les outils numériques opérationnels et les paramètres du modèle L&K calés sur des essais effectués en laboratoire sur des échantillons, un bon accord général a été trouvé entre les résultats numériques et les mesures in situ, sans aucun recalage des paramètres. Les effets du temps observés expérimentalement sur l’évolution des déplacements et des pressions d’eau sont retrouvés au sein d’une même modélisation, validant ainsi la démarche prédictive suivie / The long term behaviour of underground excavations is a social and economic stake, in particular in the context of storage in deep geological formation of high activity and long life nuclear waste. Several experimental galleries have been dug in the underground research laboratory (URL) of Meuse/Haute-Marne located close to Bure in France, where studies are leaded in order to understand the global behaviour of the constitutive rock which is the Callovo-Oxfordian (COx) argillite.The purpose of this PhD Thesis is to establish a modelling with Code_Aster of underground excavations, and especially of a Meuse/Haute-Marne laboratory gallery, taking into account non local approach, creep effect and hydromechanical coupling in the framework of the mechanics of porous media, and then to compare numerical results with available experimental data.The specific elastoviscoplastic model used in this study is the L&K model: it offers a coupling between instantaneous and delayed behaviour, and it takes into account the dilation, parameter which governs the volume strains of the material during a solicitation, and its strong variation, a specificity of geomaterials and so of COx argillite. The fluid flowing through the material adds a hydraulic component to the modelling, which is coupled to mechanic component thanks to Biot’s equations.Another novelty of this work concerns the coupling between such complex rheological behaviour and a non local approach in an industrial way. Among methods of regularization available in Code_Aster, the second gradient of dilation is well fitted to geomaterials. Its aim is to correct mesh dependency and numerical localized solutions.After describing numeric tools and setting parameters of the L&K model on laboratory tests, a good general agreement was found between numeric results and in situ measures, without resetting parameters. Time effects experimentally measured on displacement and pore pressure evolution are observed in the same modelling, validating the followed predictive approach

L'objectif technique principal auquel répond cette thèse est la mise au point d'une méthode de régularisation, donnant des résultats objectifs par rapport au maillage, pour traiter les problèmes couplés hydromécaniques dans le cas des géomatériaux. La modélisation proposée s'inscrit dans le cadre des milieux à microstructure dilatants et s'inspire, du point de vue numérique, des formulations second gradient. Elle permet de prédire de façon robuste les comportements hydrauliques et mécaniques produits par la dégradation d'un milieu naturel. Le modèle ainsi obtenu, dit second gradient de dilatation, se distingue par le faible nombre de degrés de liberté ajouté dans la discrétisation éléments finis par rapport à celui des milieux continus. L'objectif numérique est de réduire les temps de calcul pour rendre les études à portée industrielle acceptables. On montre son efficacité en réalisant des simulations couplées hydromécaniques d'excavations souterraines. Enfin, on présente un algorithme de recherche de solutions multiples dans la direction des modes singuliers basé sur les principes de la théorie de la bifurcation pour traiter des non-linéarités dues à des comportements irréversibles de matériaux adoucissants. Le cadre de l'analyse de bifurcation proposée se limite au cas des opérateurs symétriques. On montre ainsi, sur des simulations d'essais biaxiaux homogènes et d'excavations souterraines en conditions drainées, que cet algorithme est un outil de calcul efficace et robuste pour détecter plusieurs solutions mais également pour franchir des instabilités numériques liées au mauvais conditionnement des matrices tangentes au voisinage des points singuliers ou à la présence de snap-back.