La fracturation hydraulique est au cœur d'un certain nombre de phénomènes naturels et induits et est cruciale pour un développement durable de la production de ressources énergétiques. Compte tenu de son rôle crucial, ce phénomène a été pris en compte au cours des trois dernières décennies par le monde académique. Néanmoins, un certain nombre d'aspects très importants de ce processus ont été systématiquement négligés par la communauté. Deux des plus remarquables sont l'incapacité de la grande majorité des modèles existants à aborder la propagation des fractures hydrauliques dans les massifs rocheux fracturés où l'injection de fluide peut à la fois conduire à la fracturation de la roche intacte et à la réactivation de fractures préexistantes. Un autre aspect essentiel de ce processus est qu'il est intrinsèquement tridimensionnel, ce qui est souvent négligé par les modèles actuellement disponibles. Pour aborder ce problème essentiel, un modèle hydro-mécanique couplé basé sur la méthode des éléments discrets a été développé. La masse rocheuse est ici représentée par un ensemble d'éléments discrets interagissant à travers des lois de contact cohésifs qui peuvent se casser pour former des fissures à l'intérieur du milieu simulé. Ces fissures peuvent se coalescer pour former des fractures. Une méthode de volume fini est utilisée pour simuler l'écoulement de fluide entre les éléments discrets. L'écoulement est calculé en fonction de la déformation de l'espace poreux dans le milieu intact et de l'ouverture des fissures dans les fractures. De plus, les fractures naturelles sont modélisées explicitement de sorte qu'elles peuvent présentées des comportements mécanique et hydraulique différents de ceux de la matrice rocheuse intacte. La simulation des processus de fracturation hydraulique dans un milieu initialement intact en considérant plusieurs points d'injection plus ou moins espacés a permis de mettre en évidence l'évolution spatio-temporelle des fractures hydrauliques et de quantifier l'impact des différentes stratégies d'injection sur des indices représentatifs du volume fracturé, de l'intensité et de la densité des fractures ou encore sur la pression de fluide au niveau du puits. De plus, l'injection dans une fente de perforation non alignée sur le plan de contrainte minimum a génère des fractures hydrauliques non planaires percolantes si la connectivité est faible, ce qui peut être gênant pour la mise en place du proppant. En outre, des interactions fortes prennent place entre des fractures hydrauliques étroitement espacées ont été mises en évidence grâce au le suivi de la orientation de contrainte principale locale et ont révélé l'importance des effets d'ombre de contrainte. Des solutions sont proposées pour optimiser les traitements multiples à partir d'un puits de forage non parfaitement aligné. Enfin, l'interaction entre une seule fracture hydraulique et une seule fracture naturelle de propriétés et d'orientations variables a été étudiée à l'aide du modèle proposé. L'évolution de la fracture hydraulique et la réponse globale de l'échantillon ont été enregistrées d'une manière comparable aux données expérimentales existantes pour établir un pont entre les résultats expérimentaux et numériques. Les fractures naturelles persistantes semblent être des barrières pour la fracture hydraulique si leur conductance est élevée par apport a celle de la matrice ou si leur raideur est faible par rapport a la rigidité du milieu environnant. D'autre part, une faible rigidité dans les discontinuités non persistantes pourrait provoquer une bifurcation de la fracture hydraulique principale. De plus, des angles d'approche élevés et des contraintes différentielles fortes semblent favoriser le croisement de la fracture naturelle alors que des angles faibles engendrent plutôt un glissement ou une dilatation par cisaillement de la partie du plan qui n'est pas affectée par la perturbation de la contrainte. / Hydraulic fracturing is at the core of a number of naturally occurring and induced phenomena and crucial for a sustainable development of energy resource production. Given its crucial role this process has been given increasing attention in the last three decades from the academic world. Nonetheless a number of very significant aspects of this process have been systematically overlooked by the community. Two of the most notable ones are the inability of the vast majority of existing models to tackle at once the propagation of hydraulic fractures in realistic, fractured rocks-masses where hydraulic fracturing is a competing dipole mechanism between fracturing of the intact rock and re-activation of exiting fracture networks. Another essential aspect of this process is that it is intrinsically three-dimensional which is neglected by most models. To tackle this vital problem taking into account these pivotal aspects, a fully coupled hydro-mechanical model based on the discrete element method has been developed. The rock mass is here represented by a set of discrete elements interacting through elastic-brittle bonds that can break to form cracks inside the simulated medium. Theses cracks can coalesce to form fractures. A finite volume scheme is used to simulate the fluid flow in between these discrete elements. The flow is computed as a function of the pore space deformation in the intact medium and of the cracks' aperture in the fractures. Furthermore, the natural fractures are modelled explicitly and present mechanical and hydraulic properties different from the rock matrix. Employing this model in an intact numerical specimen, single fluid injection and multiple closely spaced sequential injections, enabled the description the full spatio-temporal evolution of HF propagation and its impact on quantitative indexes used in description of hydraulic fracturing treatments, such as fractured volume, fracture intensity and down-the-hole pressure for different control parameters and in-situ stress-fields. Moreover, injections from perforation slots which are not well aligned to the minimum stress plane showed possible creation of percolating non-planar hydraulic fractures of low connectivity, which can be troublesome for proppant placement. Also, strong interactions between closely spaced HF were highlighted by tracking the local principal stress rotation around the injection zones, emphasizing the importance of stress shadow effects. Optimization solutions are proposed for multiple treatments from a non-perfectly aligned wellbore. Finally, interaction between a single hydraulic fracture and a single natural fracture of varying properties and orientations was studied using the proposed model. The evolution of the hydraulic fracture and the global response of the specimen were recorded in a way comparable to existing experimental data to bridge the experimental and numerical findings. Persistent natural fractures appeared to be barriers for the hydraulic fracture if their conductance is high compared to the matrix conductivity or if their stiffness is significantly low compared to the rock matrix rigidity. Low stiffness in non-persistent defects might also cause a bifurcation of the main hydraulic fracture due to the local stress field perturbation around the defect and ahead of the hydraulic fracture tip. Furthermore, high approach angles and differential stresses seemed to favour crossing of the natural fracture while low angles enable shear slippage or dilation on the part of the plane which is not affected by the local stress perturbation.

L'optimisation des systèmes de forage nécessite une meilleure compréhension des vibrations indésirables comme le stick-slip. Ce phénomène vibratoire, qui affecte principalement les outils PDC (Polycristalline Diamond Compact), met en péril l'intégrité des équipements de forage et réduit considérablement la vitesse de pénétration de l'outil. Plusieurs travaux ont été menés ces dernières années pour déterminer ses origines. Les observations réalisées en fond de puits montrent que ces oscillations s'accompagnent systématiquement d'une baisse du couple à l'outil en fonction de sa vitesse de rotation. De nombreux groupes de recherche attribuent cette baisse de performance à l'occurrence du stick-slip.L'objectif de ce travail est de développer un modèle élémentaire de coupe qui permet d'analyser l'effet de la vitesse de coupe sur la forabilité des roches dans des conditions opératoires réalistes. Dans le cadre de cette thèse, nous avons réalisé une série d'essais de coupe en utilisant des taillants et des outils à échelle réelle dans trois roches de propriétés hydromécaniques différentes, et ceci à pression atmosphérique et sous pression de fluide. Les essais réalisés à pression atmosphérique montrent que les efforts élémentaires de forage augmentent avec la vitesse de coupe. Sous pression de boue, cet effet dépend largement de la perméabilité de la roche. En effet, nous avons observé que l'effet de la vitesse est relativement faible dans les formations de faible et de moyenne perméabilité sous pression de boue de 20 MPa. En revanche, cet effet augmente d'un ordre de grandeur dans les roches très perméables.Afin de comprendre ces observations, nous avons développé un modèle hydromécanique d'interaction taillant-roche construit à partir de la théorie de la poroélastoplasticité. D'abord, le problème est résolu analytiquement en s'inspirant des travaux existants. Par la suite, nous avons apporté une résolution numérique aux éléments finis des équations de la promécanique appliquées à la coupe des roches sous pression de boue. Les deux modèles montrent que le phénomène de dilatance génère une baisse de la pression de pore qui augmente la résistance de la roche au forage. Cette chute de pression dépend de la vitesse de coupe ainsi que des caractéristiques hydrodynamiques de la roche. Les résultats théoriques ont été comparés aux nombreux résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de ce travail. / The optimization of the drilling practice requires a better understanding of drillstring harmful vibrations such as stick-slip. This form of torsional vibrations is a typical problem of PDC (Polycristalline Diamond Compact) drillbits. It can reduce the rate of penetration drastically and can raise fatigue of the drilling devices. Many attempts were carried out in the last years in order to determine the causes of stick-slip phenomenon. Field observations show that torque on bit decreases as a function of bit velocity during stick-slip oscillations. Hence, it is widely believed that this decreasing relationship is the root cause of stick-slip.The purpose of this work is to examine cutting speed influence on rock drillability as a function of operating conditions and hydromechanical properties of the drilled formation. For this, a set of drilling tests was performed in three sedimentary rocks of different permeability using a full scale PDC drillbit and a single PDC cutter. In the first step, dry tests were carried out at atmospheric pressure. As previously observed in literature, single-cutter tests showed that drilling forces increase with cutting velocity. In a second step, we performed the same experiments at 20 MPa bottom-hole pressure. It appears that rate effect on cutting forces in the medium and low-permeability rocks is relatively low. By contrast, rate effect in the highly permeable rock increases by one order of magnitude in comparison with dry experiments.In order to understand this phenomenon, a steady state solution of the cutting model is derived in the framework of the theory of poroelastoplasticity. The problem is firstly solved analytically using some assumptions derived from previous works. Then, a numerical resolution based on finite element method is presented to solve the fully coupled problem ensuring the satisfaction of poro-material physics basic equations. Using these two different approaches, we show that pore pressure in shear-dilatant rocks decreases as a function of cutting velocity depending on rock permeability and interstitial fluid properties. This change has a hardening effect resulting in an increase of rock drilling resistance. Comparison between theory and experience shows good agreements.

Submitted by José Henrique Krähenbühl Ambiel (zeambiel@hotmail.com) on 2018-09-28T13:24:06Z No. of bitstreams: 1 Dissertação_JoséAmbiel.pdf: 8234688 bytes, checksum: e8355af378aacfa5b31cc3b2d4f77de7 (MD5) / Approved for entry into archive by Lucilene Cordeiro da Silva Messias null (lubiblio@bauru.unesp.br) on 2018-09-28T18:11:05Z (GMT) No. of bitstreams: 1 ambiel_jhk_me_bauru.pdf: 6828894 bytes, checksum: e1a58fe94084b497e2236056afe8f889 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-28T18:11:05Z (GMT). No. of bitstreams: 1 ambiel_jhk_me_bauru.pdf: 6828894 bytes, checksum: e1a58fe94084b497e2236056afe8f889 (MD5) Previous issue date: 2018-07-24 / Materiais porosos constituem uma grande gama de materiais que podem ser encontrados na natureza ou em forma artificial. Rochas reservatório é um exemplo importante desse tipo de material, sendo o estudo delas a motivação principal desse trabalho. O estudo de rochas reservatório, de onde são extraídos gases e petróleo, consiste em um problema físico no qual os sistemas mecânico e hidráulico são acoplados. O acoplamento ocorre pois as deformações (no sistema mecânico) inuenciam as pressão (no sistema hidráulico), que por sua vez inuenciam as tensões (sistema mecânico). As equações governantes do sistema mecânico são mostradas e as do hidráulico deduzidas. Para a resolução do problema, o Método dos Elementos Finitos (MEF) foi utilizado para ambos os sistemas físicos, logo, as equações governantes são apresentadas em sua forma fraca e, então, aproximada pelo MEF. Numericamente, o acoplamento pode ser tratado de diferentes maneiras, seja considerando um dos sistemas de maneira bem pobre tal como fórmulas empíricas simplistas, seja considerado os sistemas de maneira individual, ou então de maneira completa. Essa última maneira de considerar um acoplamento, o acoplamento total, é formulada, programada e testada nesse trabalho. Para validar a implementação, dois problemas foram analisados: Problema de Terzaghi e Problema Mandel, ambos com solução analítica conhecidas. Os resultados obtidos numericamente comparados aos analíticos indicam que o método totalmente acoplado foi bem implementado, tanto em 2D quanto em 3D. Nesse trabalho também é mostrada a oscilação numérica que há em problemas de acoplamento hidromecânico e uma das formas de amenizá-la. / Porous materials constitute a wide range of materials that can be found in nature and arti cially. Reservoir rock is an important example of this kind of material, which is the main motivation of this work. The study of reservoir rocks, from which gases and oil are extracted, consists of a physical problem in which mechanical and hydraulic systems are coupled. The coupling occurs because the deformations (in the mechanical system) in uence the pressure (in the hydraulic system), which in turn in uence the stresses (mechanical system). The governing equations of the mechanical system are shown and those of the hydraulic system are deduced. To solve the problem, the Finite Element Method (FEM) is used for both physical systems, so the governing equations are presented in their weak form and then approximated according to the FEM. Numerically, the coupling can be handled in di erent ways, either by considering one of the systems in a very poor way by using simplistic empirical formulas, by considering the systems individually, or in a complete manner. The latter one, the fully-coupled treatment, is formulated, programmed and tested in this work. To validate the implementation, two problems has been analyzed: Terzaghi Problem and Mandel Problem, both with known analytical solutions. The comparison between the results obtained numerically and analytically indicates that the fully coupled method has been well implemented in both 2D and 3D cases. The numerical oscillation existing in hydrmechanical coupled problems is also shown and one of the ways to minimize it is presented.

L’objectif de ce travail est de contribuer à la modélisation du couplage hydromécanique, existant entre la déformation de la préforme fibreuse et l’écoulement de la résine, et par la suite à la simulation des procédés d’infusion. La méthode de résolution numérique déployée dans ce cadre est de type éléments finis avec volumes de contrôles (CVFEM) formulée en 2D½. Une nouvelle approche de modélisation de procédé d’infusion est proposée. Dans cette méthode, nous avons introduit des éléments 1D qui traduisent l’écoulement transverse. Cette approche permet de surmonter la difficulté numérique relative à l’usage des éléments finis volumiques pour un calcul 3D, notamment pour simuler la mise en œuvre des pièces industrielles de grandes dimensions. Le modèle fait appel à des lois de comportements caractérisées expérimentalement et qui permettent de tenir compte de l’évolution de la perméabilité et la compressibilité du milieu fibreux au cours de l’infusion. Diverses confrontations entre le modèle numérique proposé, des méthodes analytiques et expérimentales ont été menées. Une application du modèle dans la simulation de l’infusion d’un démonstrateur industriel de géométrie complexe est également réalisée. Les résultats obtenus sont très encourageants et révèlent l’efficacité de l’outil développé dans la simulation du procédé d’infusion / The aim of this work is to model the hydromechanical coupling that exists between the preform compressibility and the resin flow in order to simulate the infusion processes. The numerical method used in this study is based on the Control Volume Finite Elements Method (CVFEM) in 2D½. A new modelling approach of the infusion process is proposed. In this method, we introduced 1D elements to include through-the-thickness flow. This approach allows to reduce the computational time in comparison with full 3D modelling, especially in the simulation of industrial part infusion with large dimensions. The developed model is alimented by behavior laws that we characterized experimentally. These laws allow to take into account the evolution of the permeability and the compressibility of the fibrous medium during the infusion. We validated our model by comparing its results with analytical and experimental data. Additionally, an application of this simulation approach has been carried out to simulate the infusion of an industrial demonstrator with complex geometry. These comparisons show a good agreement between numerical and experimental results and reveal the efficiency of the developed tool in the infusion process simulation.

La modélisation de bassin est couramment utilisée pour décrire l’évolution des bassins sédimentaires à partir d’une reconstitution de leur histoire. Durant la modélisation des processus géologiques, les propriétés de transfert des sédiments peuvent changer significativement à cause de leur fracturation naturelle. La présence de ces fractures dans le bassin peut constituer des chemins préférentiels d’écoulement ou des barrières qui contrôlent les niveaux de surpressions, l’accumulation et la migration des hydrocarbures dans le milieu ainsi que la perméabilité du milieu. Dans l’industrie pétrolière et en particulier durant l’exploration, la connaissance de l’historique des processus de fracturation naturelle permet d’améliorer la prédiction des positions de réservoirs d’hydrocarbures dans le milieu ainsi que leurs propriétés. En profondeur les fractures s’amorcent dans les roches aux niveaux des discontinuités géométriques. Cependant, les chargements à l’origine de l’initiation de ces fractures restent mal connus. Dans les bassins sédimentaires, les propriétés mécaniques et géométriques de ces fractures sont directement reliées aux processus inhérents à leur formation. Elles peuvent dériver de certains processus comme par exemple le dépôt des sédiments, les chargements tectoniques ou le processus d’érosion. Le but de cette thèse est de fournir une amélioration de la caractérisation de l’amorçage des fractures dans la modélisation de bassin à partir d’un outil numérique de simulation de réseaux de fractures et de son évolution sous chargement hydromécanique. Au cours de la sédimentation, les matériaux enfouis subissent une augmentation de la contrainte verticale. Cette augmentation de la contrainte par sédimentation entraîne une compaction mécanique et une diminution de la porosité. La compaction mécanique qui dépend du taux de sédimentation et de la perméabilité des matériaux enfouis peut générer des surpressions importantes dans le bassin. Dès lors une compétition s’établie entre la dissipation de la surpression des fluides et la vitesse de sédimentation et peut conduire à l’amorçage de fractures. Ainsi, pour étudier analytiquement l’amorçage des fractures dans le bassin, un modèle synthétique géologique est proposé. La solution analytique de l’évolution de la pression et des contraintes dans ce contexte est obtenu en superposant deux problèmes de poroélasticités. L’analyse de la solution et d’un critère de fracturation serviront de base pour prédire l’amorçage et la propagation des fractures. Pour simuler la propagation et l’évolution des fractures, un modèle numérique comportant des chemins potentiels de fracturation uniformément repartis est mis au point dans le code de calcul par éléments finis Porofis. Les fractures sont modélisées par un modèle de joints cohésifs avec endommagement et l’écoulement est décrit à partir de loi de Poiseuille. Les effets du couplage hydromécanique dans les fractures et dans la matrice poreuse sur l’évolution dynamique de l’espacement des fractures pour des cas synthétiques typiques de la modélisation de bassin sont également étudiés / Basin modeling is commonly used to describe basin's evolution from a reconstruction of its history. During the geological processes modeling, the transfer properties of sediments can change significantly due to natural fracturing and therefore may constitute preferential flow paths or barrier that control hydrocarbons migration and accumulation. In petroleum industry, and especially for exploration, the knowledge of natural fracturing processes and history enhances the prediction of overpressures, potential location of hydrocarbon storage and matrix equivalent permeability. At significant depth, nucleation of fractures and initiation are triggered at existing defects, but the loads behind its initiation are unknown or poorly characterized. In sedimentary basin, fracture mechanical and geometrical properties are directly related to the processes from which it comes. Fracture initiation at depth can arise from by many processes such as deposition, tectonic and erosion processes. The aim of the thesis is to provide an improvement in the characterization of fracture initiation in basin modeling by using a numerical modeling of fracture network and its evolution under hydro mechanical loading. During sedimentation, buried rocks are subjected to an increase in vertical stress. This increase leads to a decrease of porosity that is commonly called mechanical compaction. Indeed, the mechanical compaction depending on its rate and on the permeability of the burden rocks, can induce significant overpressures. Thus, a competition is initiated between the dissipation of fluid overpressure and sedimentation rate, and may result in fracture initiation. For analytical study of fracture initiation, a synthetic geologic structure is used. The analytical solution analytical solution of the pressure and stresses in a sealing formation is proposed under sedimentation by superposing two problems of poroelasticity. This analytical solution and a fracturing criterion are used to predict the initiation and propagation of the fracture. The fracture propagation and growth are studied by numerical simulations based on a finite element code dedicated to fractured porous media called Porofis. The numerical model contains defects initially closed and homogeneously distributed. The fractures are modeled with a constitutive model undergoing damage and the flow is described by Poiseuille’s law. The effect of hydromechanical coupling on dynamicevolution of fracture spacing using synthetic geological structure for basin modeling are also studied

Recently observed cumulation of unexpected collapses of slope-distant waste dumps in lignite mining areas of eastern germany re-initiated research of soil liquefaction. Especially it turned the question of internal initials that correspond to water rise. Parallel to laboritory tests and field experiments a micromechanical model should be developed, which can reproduce processes in the soil during saturation. In first approximation a partly saturated soil consists of two phases: the soil particles and the pore fluid. For micromechanical modeling a coupling of discontinuum particles) and continuum (fluid) is required. The soil particles can be simulated with the Discrete-Element-Method (DEM). For the pore fluid, which is assumed to be a mixture of liquid and gaseous fractions, Pore scale model with Finite Volumes (PFV) is used. At low water content liquid bridges (meniscii) arise between the particles that cause an apparent cohesion. The effect of the meniscii is considered by a correspondingly contact law in the DEM model. During the saturation of a soil both, cohesive effect and fluid bulk modulus, are reduced. In addition buoyancy acts on the particles during the process. The micromechanical modeling approach has the advantage, that just a few model parameters are needed. The numerical model shows pore fluid pressures during saturation process, that leads to a reduction of effective stress. It is investigated how much the reduction is regarding porosity, degree of saturation, stress conditions and grain shape. Furthermore the influence of model parameters as well as hydromechanics is investigated. The investigations are completed with another series of experiments under special conditions like integration of macropores, horizontal fixed model boundaries and abrupt saturation.

Les propriétés des argilites du Callovo-Oxfordien les désignent comme une barrière naturelle sûre pour le stockage de déchets radioactifs. Afin d’optimiser la prédiction de leur comportement, leur réponse à diverses sollicitations à court et long termes est étudiée. Notamment, lors de la phase d’exploitation, l’air ventilé dans les galeries n’est pas à l’équilibre hydrique avec la roche et peut perturber ses propriétés hydromécaniques (HM). Il semble alors essentiel de caractériser la réponse HM de la roche à des sollicitations hydriques.La démarche adoptée consiste à proposer un modèle physique adéquat, sur la base d’essais au laboratoire. L’essai de séchage est retenu puisqu’il permet d’étudier la réponse des échantillons en conditions non-saturées. A partir des résultats HM, un modèle élastique 2D isotrope est proposé, puis est élevé à la 3D avec un module de Young isotrope transverse. Ensuite, les données expérimentales servent à estimer certains paramètres poroélastiques et de transfert du modèle. Cette étape est accomplie par procédure inverse (minimisation de l’erreur mesures-calculs). Enfin, une modélisation 2D du comportement in situ est proposée, et compare les prédictions de modèles plastique isotrope et élastique isotrope transverse.Les simulations d’essais au laboratoire reproduisent assez bien les données expérimentales. Pour la modélisation in situ, une bonne corrélation est obtenue entre les prédictions et les mesures, et ce sans ajustement préalable des paramètres. Toutefois, le modèle souligne une influence limitée de la plasticité à l’échelle du laboratoire, alors que les phénomènes dissipatifs sont marqués in situ. Les modélisations 3D au laboratoire ne donnent pas de résultats plus fins qu’en 2D, mais reproduisent plus de données expérimentales (variations de masse, déformations axiales et latérales). De plus, injecter plusieurs types de données dans la formulation inverse permet d’améliorer la précision de l’algorithme. Par ailleurs, une meilleure stabilité de l’algorithme est obtenue en adoptant une convergence en deux étapes (simplex, puis méthode de type gradient). Les estimations numériques des paramètres corroborent les mesures expérimentales obtenues par ailleurs. / The Callovo-Oxfordian claystones’ properties make them reliable as a geological barrier for the confinement of radioactive wastes. In order to optimally predict their behavior, how they respond to various short and long terms loadings has to be studied. Particularly during the exploitation phase, air is continuously ventilated throughout the galleries. The climatic properties of this air are not balanced with those of the rock, and may perturb its hydromechanical (HM) attributes. Thus, assessing the HM response of the rock under hydric loading seems to be a priority.This dissertation begins with laboratory tests to propose an appropriate physical model. Drying tests were studied as they focus on the HM response of samples undergoing hydric loadings. A first 2D isotropic model is proposed, and then enhanced to 3D by considering a transversely isotropic Young modulus. Secondly, experimental results provide relevant data to estimate poroelastic and transport parameters involved in the model. Estimation is achieved according to an inverse procedure, which minimizes the error between measurements and model predictions. Finally, a real-size test is simulated using 2D models: an isotropic plastic one and a transversely isotropic elastic one.Model predictions reproduce well the laboratory tests data. When simulating the in situ behavior, a rather good agreement is obtained between the numerical and experimental results (although using the parameters estimated at the laboratory scale). However, the model highlights a limited influence of plasticity in the laboratory tests, while dissipative phenomena obviously occur in situ. 3D laboratory simulations do not improve the precision of 2D results, but reproduce more experimental data (mass variations, axial and lateral strains). Moreover, the inversion process is more efficient when ran over various kinds of data. Furthermore, stability of the algorithm is improved when adopting a two-phase convergence (simplex, followed by a gradient-like method). Numerical estimates of the parameters are in agreement with the direct experimental measurements obtained through other tests.

Les études de faisabilité concernant le stockage géologique profond des déchets radioactifs ont conduit un intérêt accru concernant la modélisation géomécanique de la roche hte. En France, une roche hte potentielle est l'argilite du Callovo-Oxfordien du site de Meuse/Haute Marne. Etant donné que le principe de stockage géologique profond repose fortement sur la capacité de confinement de la formation hte, sa faible perméabilité est d'une importance clé. La perméabilité étant dépendante de la microstructure du matériau et de son évolution sous chargement, le comportement couplé hydro-mécanique de l'argilite est important. En effet, des modifications mécaniques sont induites par le creusement de la galerie d'entreposage, générant une zone endommagée (EDZ), pouvant conduire une modification de la perméabilité dans le voisinage de la galerie. Dans les matériaux microstructure complexe comme l'argilite du Callovo-Oxfordien, le comportement macroscopique trouve son origine dans l'interaction des constituants micro-mécaniques. En plus du couplage entre le comportement hydraulique et mécanique, un couplage entre les échelles micro et macro existe. Par le biais de l'élaboration d'un cadre d'homogénéisation du couplage hydro-mécanique, une approche de modélisation deuxéchelles est développée dans ce travail, dans laquelle la relation constitutive macroscopique découle directement du comportement à l'échelle microscopique. Un modèle existant du couplage hydro-mécanique, reposant sur l'identification de grains et d'espaces poreux intergranulaires à l'échelle micro est adopté comme point de départ. Ce modèle repose sur une homogénéisation numérique du comportement à la petite échelle afin d'obtenir à l'échelle macroscopique la réponse en contrainte et de transport du fluide interstitiel. Ce modèle est basé sur un VER périodique qui permet de déduire le comportement macroscopique local de l'argilite. En réponse, en un point d'intégration macro donné, à un incrément de la déformation et du gradient de pression, la réponse du VER permet d'exprimer l'incrément de contrainte et de flux associé, constituant de fait un équivalent numérique de la relation constitutive. Les problèmes aux conditions limites macro et micro sont traités simultanément par la méthode élément fini. Pour obtenir les opérateurs tangents consistants à l'échelle macro, la méthode d'homogénéisation par condensation statique des opérateurs tangeants micro est étendu au cas avec couplage hydro-mécanique. L'implémentation du modèle double échelle et la mise en uvre des développements théoriques d'homogénéisation ont été effectués dans le code élément fini Lagamine (Université de Liège). Pour la modélisation de la localisation de la déformation à l'échelle macro, qui, dans un formalisme de milieu continu classique, souffre de la dépendance au maillage, l'approche double-échelle a été utilisée dans un formalisme de milieu enrichi de type milieu de second gradient pour matériau poreux saturé. Les capacités du modèle homogénéisé numériquement, utilisé dans un cadre de milieu de second gradient, sont ensuite démontrées par des simulations d'essais dométriques et d'essais de compression biaxiaux. L'approche se confirme être un moyen puissant pour modéliser l'anisotropie initiale et induite du comportement mécanique et du comportement hydraulique. Pour la modélisation du comportement de l'argilite du Callovo-Oxfordien, des VER sont construits en tenant compte des travaux de caractérisation de la géométrie des inclusions microscopiques et des résultats expérimentaux d'essais macroscopiques.La loi de comportement homogénéisée numériquement ainsi calibrée est utilisée dans des simulations de creusement de galerie jusqu'à des niveaux d'endommagement générant une localisation de la déformation.Ces calculs montrent à la fois la pertinence et l'applicabilité du concept double échelle pour l'évaluation du comportement hydromécanique des EDZ dans un contexte du stockage des déchets radioactifs. / Feasibility studies for deep geological radioactive waste disposal facilities have led to an increased interest in the geomechanical modelling of its host rock. In France, a potential host rock is the Callovo-Oxfordian claystone. The low permeability of this material is of key importance, as the principal of deep geological disposal strongly relies on the sealing capacity of the host formation. The permeability being coupled to the mechanical material state, hydromechanical coupled behaviour of the claystone becomes important when mechanical alterations are induced by gallery excavation in the so-called excavation damaged zone (EDZ). In materials with microstructure such as the Callovo-Oxfordian claystone [Robinet et al., 2012], the macroscopic behaviour has its origin in the interaction of its mi- cromechanical constituents. In addition to the coupling between hydraulic and mech- anical behaviour, a coupling between the micro (material microstructure) and macro will be made. By means of the development of a framework of computational homo- genization for hydromechanical coupling, a doublescale modelling approach is formu- lated, for which the macroscale constitutive relations are derived from the microscale by homogenization. An existing model for the modelling of hydromechanical coupling based on the distinct definition of grains and intergranular pore space [Frey, 2010] is adopted and modified to enable the application of first order computational homogenization for obtaining macroscale stress and fluid transport responses. This model is used to constitute a periodic representative elementary volume (REV) that allows the rep- resentation of the local macroscopic behaviour of the claystone. As a response to deformation loading, the behaviour of the REV represents the numerical equivalent of a constitutive relation at the macroscale. For the required consistent tangent operators, the framework of computational homogenization by static condensation [Kouznetsova et al., 2001] is extended to hy- dromechanical coupling. The theoretical developments of this extension are imple- mented in the finite element code Lagamine (Li` ege) as an independent constitutive relation. For the modelling of localization of deformation, which in classical FE meth- ods suffers from the well-known mesh dependency, the doublescale approach of hy- dromechanical coupling is combined with a local second gradient model [Collin et al., 2006] to control the internal length scale of localized deformation. By accepting the periodic boundary conditions as a regularization of the microscale deformation, the use of the multiscale model in combination with the local second gradient model can be used for modelling localization phenomena in HM-coupled settings with material softening. The modelling capacities of the approach are demonstrated by means of simula- tions of oedometer tests and biaxial compression tests. The approach is demonstrated to be a powerful way to model anisotropy in the mechanical as well as the hydraulic behaviour of the material both in the initial material state and as an effect of hy- dromechanical alterations. For the application to the modelling of Callovo-Oxfordian claystone, microstructural REVs are calibrated to geometrical characteristics of the inclusion that form the microstructure under consideration and to macroscale ex- perimental results of the mechanical behaviour. The calibrated constitutive relation is used in the simulation of gallery excavation processes. These computations give a proof of concept of the doublescale assessment of the hydromechanical behaviour of the excavation damaged zones around galleries in the context of nuclear waste disposal.

Les situations où deux fluides non miscibles sont présents dans un matériau granulaire déformable sont largement rencontrées dans la nature et dans de nombreux domaines de l'ingénierie et de la science. Comprendre l'évolution de tels systèmes multiphases nécessite la connaissance de toutes les phases, leur distribution et interactions. Un modèle micro-hydromécanique couplé est présenté dans cette thèse sur la base de travaux précédents, visant à simuler le drainage quasi-statique de matériaux granulaires déformables. Il combine une approche de type réseau de pores et la méthode des éléments discrets (DEM) pour les fluides et les grains respectivement. Un critère local de mouvement d'interfaces fluides est établi, afin d'approximer au mieux le rôle de la géométrie porale sur les phénomènes capillaires et notamment les forces exercées sur les grains solides à l'intérieur de chaque pore. Une attention particulière est dédiée aux événements de piégeage du fluide drainé et à l'invasion préférentielle le long des bords du domaines. Le modèle est valide par la comparaison avec des résultats expérimentaux (courbes de rétention d'eau). Nous appliquons le modèle pour étudier deux questions: (1) les effets de taille finie et à la question du volume élémentaire représentatif (REV); (2) le paramètre de contrainte effective de Bishop et la relation entre contrainte effective macroscopique contrainte de contact micromécanique. Finalement, une extension du modèle au régime pendulaire est présentée et des premiers résultats sont présentés et discutés. / The situation of two immiscible fluids through a deformable granular material is widely encountered in nature and in many areas of engineering and science. To understand the physical evolution of the multiphase system is of great importance for the applications. It requires the knowledge of all component phases, their distribution and interactions. A pore-scale coupled hydromechanical model is presented in this thesis based on previous work, aiming at simulating the quasi-static drainage of a deformable granular materials. The model combines a pore network approach and the discrete element method (DEM) for the fluids and grains, respectively. A local criterion for determining the local movements of the fluids interfaces established to approximate the role of the local pore geometry on capillarity and namely on the forces exerted on the solid grains inside each pore. Special attentions have been paid to the entrapment events of the receding fluid and to the preferential invasion along the boundaries. The model is validated through comparisons with experimental results (water retention curves). We apply the model for examining two issues: (1) finite size effects and the concept of representative elementary volume (REV); (2) Bishop's effective stress parameter and to the relationship between macro-scale effective stress and micro-scale contact stress. Finally, an extension to the pendular regimes is proposed and first results are presented and analyzed.

Les matériaux granulaires multiphasiques occupent une place très importante dans notre environnement qui suscitent un grand intérêt de nombreuses communautés scientifiques, notamment celles de la mécanique des sols ou de la géotechnique. Le caractère divisé permet les milieux granulaires multiphasiques d'avoir un comportement mécanique global qui trouve leur origine, leur distribution et interactions entre les phases de composition. Un modèle de couplage hydromécanique est présenté dans ce travail de thèse pour l'application à la modélisation microscopique des couplages hydromécaniques dans les matériaux granulaires saturés. Le modèle numérique est basé sur un couplage de la méthode des éléments discrets (DEM) avec une formulation en volumes finis, à l'échelle des pores (PFV), du problmème de l'écoulement d'un fluide visqueux incompressible. Le solide est modélisé comme un arrangement de particules sphériques avec des interactions de type élasto-plastique aux contacts solide-solide. On considère un écoulement de Stokes incompressible, en supposant que les forces inertielles sont négligeables par rapport aux forces visqueuses. La géométrie des pores et leur connectivité sont définies sur la base d'une triangulation régulière des sphères, qui aboutit à un maillage tétrahédrique. La définition des conductivités hydrauliques à l'échelle des pores est un point clef du modèle, qui se rapproche sur ce point à des modèles de type pore-network. Une importance particulière réside dans les lois d'interactions fluide-solide permettant de déterminer des forces de fluide appliquées sur chacune des particules, tout en assurant un coût de calcul acceptable pour la modélisation en trois dimensions avec plusieurs millieurs des particules. Des mesures de perméabilités sur des assemblages bidisperses de billes de verre sont présentées et comparées aux prédictions du modèle et aux formules empiriques/semi-empiriques dans la littérature, ce qui valide la définition de la conductivité locale et met en évidence le rôle de la distribution granulométrique et la porosité. Une approche numérique pour analyser l'interaction mécanique fluide-solide et les mécanismes d'érosion interne est finalement présentée. / Multiphase granular materials occupy a very important place in our environment that are of great interest to many scientific communities, including those of soil mechanics or geotechnical engineering. The divided nature allows multiphase granular media to have a global mechanical behaviour which originates from all component phases, their distribution and interactions. Acoupled hydromechanical model is presented in this work for the application to microscopic modeling of coupled hydromechanical in saturated granular materials. The numerical model uses a combination of the discrete element method (DEM) with a pore-scale finite volume (PFV) formulation of flow problem of an incompressible viscous fluid. The solid is modeled as an assembly of spherical particles, where contact interactions are governed by elasto-plasticrelations. Stokes flow is considered, assuming that inertial forces are small in comparison with viscous forces. Pore geometry and pore connections are defined locally through regular triangulation of spheres, from which a tetrahedral mesh arises. The definition of pore-scale hydraulic conductivities is a key aspect of this model. In this sense, the model is similar to a pore-network model. The emphasis of this model is, on one hand the microscopic description of the interaction between phases, with the determination of the forces applied on solid particles by the fluid, on the other hand, the model involves affordable computational costs, that allow the simulation of thousands of particles in three dimensional models. Permeability measurements on bidispersed glass beads are reported and compared with model predictions and empirical formulas/semi-empirical in the literature, validating the definition of local conductivities and bringing out the role of particle size distribution and porosity. A numerical approach to analyze the fluid-solid mechanical interaction and mechanisms of internal erosion is finally presented.