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.

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

On désigne habituellement par retrait-gonflement des sols argileux les variations de volume qu’un massif d’argile peut subir sous l’effet des variations de la pression interstitielle négative (succion) de l’eau, lors d’une humidification ou d’un séchage. L’objectif de ce travail est de compléter les connaissances expérimentales sur le comportement hydromécanique des sols gonflants rencontrés dans les travaux de génie civil, de géotechnique et de géotechnique de l’environnement afin de mieux en tenir compte dans les modèles de calcul. De nombreux travaux ont montré l'intérêt de réaliser des essais œdométriques pour caractériser le potentiel et la cinétique de gonflement des sols. Ils ont révélé également l’influence de l’humidification ou du séchage sur le gonflement ou le retrait, avec des pertes ou des augmentations de rigidité des éprouvettes. En revanche, l’influence de plusieurs cycles de séchage/humidification sur le comportement mécanique n’a été que très rarement analysée. Cette thèse rapporte les résultats d’études expérimentales effectuées à l’œdomètre 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 [kappa] dépendent directement des chemins de contrainte suivis. 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 : Loading Collapse du modèle BBM) 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 / We usually define the swelling-shrinkage of the swelling soils by the volume variation of a clayey layer exposed to the negative water pore pressure (suction) variations during the wetting and drying periods. In this research, we try to complete our experimental knowledge on the hydromechanical behaviour of the swelling soils used in civil engineering, geotechnical engineering and geoenvironmental engineering, to better modelize these soils in our numerical calculations. Several authors have used the oedometer tests to characterize the capacity and the process of the soil expansion. They have also studied the influence of the wetting and drying on the soil swelling or shrinkage which can decrease or increase the soil rigidity. However, the influence of several hydraulic cycles on the mechanical behaviour has been rarely studied. This thesis presents an experimental study performed on compacted loose and natural dense expansive soils using osmotic oedometers. Several successive cycles were applied under three different low constant vertical net stresses. The loose soil presents a significant shrinkage accumulation while the dense one produces the swelling accumulation during the suction cycles. The suction cycles induced an equilibrium stage which indicates an elastic behaviour of the samples. At the end of suction cycles, a loading/unloading test was performed at the constant suctions for both materials. The mechanical parameters, i.e. the virgin compression index [lambda(s)], the apparent preconsolidation stress p0(s) and the elastic compression index values [kappa] ?are completely dependent on the followed stress paths. The whole experimental results made it possible to define the yielding surfaces: suction limit between micro and macrostructure (Lm/M), loading collapse (LC) and saturation curve (SCS). The suction limit (Lm/M) depends completely to the soil fabrics and to the diameter separating the micro- and macrostructure. The preconsolidation stress variation with suction is represented by the LC surface. The compression curves at different imposed suctions converge towards the saturated state for the high applied vertical stresses. We consider the saturation pressure (Psat) as the necessary pressure to reach the saturated state for an imposed suction. The higher the suction, the higher the saturation pressure. The yielding surface representing this pressure as a function of suction is called the saturation curve (SCS). Generally we can state that the suction cycles unified the LC and SC surfaces and increased the (Lm/M) up to a higher value

Sedimentary rocks are characterized with very low permeability (in the order of 10-22 m2), low diffusivity, a possible self-healing of fractures, and a good capacity to retard radionuclide transport. In recent years, sedimentary rocks are investigated by many research groups for their suitability for the disposal of radioactive waste. Development of deep geologic repositories (DGRs) for the storage of radioactive waste within these formations causes progressive modification to the state of stress, to the groundwater regime, and to the chemistry of the rock mass. Thermal effects due to the ongoing nuclear activity can cause additional disturbances to the system. All these changes in the system are coupled and time-dependent processes. These coupled processes can result in the development of an excavation damaged zone (EDZ) around excavations. More permeable than the undisturbed rock, the EDZ is likely to be a preferential pathway for water and gas flow. Consequently, the EDZ could be a potential exit pathway for the radioactive waste to biosphere. An investigation of the Hydraulic-Mechanical (HM) and Thermal-Hydraulic-Mechanical-Chemical (THMC) behaviour of sedimentary rock formations is essential for the development of DGRs within such formations. This research work consists of (1) an experimental investigation of the mechanical behaviour of the anisotropic Tournemire argillite, (2) modeling of the mechanical behaviour of the Tournemire argillite, and (3) numerical simulations of the mechanical and hydromechanical behavior of two host sedimentary rocks, the Tournemire argillite and Cobourg limestone, for deep geological repository for nuclear wastes. The experimental program includes the measurements of the physical properties of the Tournemire argillite and its mechanical response to loading during uniaxial compression tests, triaxial compression tests with different confining pressures, unconfined and confined cyclic compression tests, Brazilian tests, and creep tests. Also, acoustic emission events are recorded to detect the initiation and propagation of microcracks within the rock during the uniaxial testing. The approach for modeling the mechanical behaviour of the Tournemire argillite consists of four components: elastic properties of the argillite, a damage model, the proposed concept of mobilized strength parameters, and the classical theory of elastoplasticity. The combination of the four components results in an elastoplastic-damage model for describing the mechanical behaviour of the Tournemire argillite. The capabilities of the model are evaluated by simulating laboratory experiments. Numerical simulations consist of: (1) a numerical simulation of a mine-by-test experiment at the Tournemire site (France), and (2) numerical simulations of the mechanical and hydromechanical behaviour of the Cobourg limestone within the EDZ (Canada). The parameters influencing the initiation and evolution of EDZ over time in sedimentary rocks are discussed.

Sedimentary rocks are characterized with very low permeability (in the order of 10-22 m2), low diffusivity, a possible self-healing of fractures, and a good capacity to retard radionuclide transport. In recent years, sedimentary rocks are investigated by many research groups for their suitability for the disposal of radioactive waste. Development of deep geologic repositories (DGRs) for the storage of radioactive waste within these formations causes progressive modification to the state of stress, to the groundwater regime, and to the chemistry of the rock mass. Thermal effects due to the ongoing nuclear activity can cause additional disturbances to the system. All these changes in the system are coupled and time-dependent processes. These coupled processes can result in the development of an excavation damaged zone (EDZ) around excavations. More permeable than the undisturbed rock, the EDZ is likely to be a preferential pathway for water and gas flow. Consequently, the EDZ could be a potential exit pathway for the radioactive waste to biosphere. An investigation of the Hydraulic-Mechanical (HM) and Thermal-Hydraulic-Mechanical-Chemical (THMC) behaviour of sedimentary rock formations is essential for the development of DGRs within such formations. This research work consists of (1) an experimental investigation of the mechanical behaviour of the anisotropic Tournemire argillite, (2) modeling of the mechanical behaviour of the Tournemire argillite, and (3) numerical simulations of the mechanical and hydromechanical behavior of two host sedimentary rocks, the Tournemire argillite and Cobourg limestone, for deep geological repository for nuclear wastes. The experimental program includes the measurements of the physical properties of the Tournemire argillite and its mechanical response to loading during uniaxial compression tests, triaxial compression tests with different confining pressures, unconfined and confined cyclic compression tests, Brazilian tests, and creep tests. Also, acoustic emission events are recorded to detect the initiation and propagation of microcracks within the rock during the uniaxial testing. The approach for modeling the mechanical behaviour of the Tournemire argillite consists of four components: elastic properties of the argillite, a damage model, the proposed concept of mobilized strength parameters, and the classical theory of elastoplasticity. The combination of the four components results in an elastoplastic-damage model for describing the mechanical behaviour of the Tournemire argillite. The capabilities of the model are evaluated by simulating laboratory experiments. Numerical simulations consist of: (1) a numerical simulation of a mine-by-test experiment at the Tournemire site (France), and (2) numerical simulations of the mechanical and hydromechanical behaviour of the Cobourg limestone within the EDZ (Canada). The parameters influencing the initiation and evolution of EDZ over time in sedimentary rocks are discussed.