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DEVELOPPEMENT D’UNE METHODE DE CARACTERISATION IN SITU DES PROPRIETES RHEOLOGIQUES DES MASSIFS ROCHEUX

Laboratoire d'accueil > LEHG (Laboratoire d'étude hydrodynamique et geotechnique).
Date de début de la thèse > 01/10/2007

Description détaillée du sujet

1. Position du problème

La caractérisation du comportement rhéologique des massifs rocheux et de l’évolution des paramètres correspondants autour d’excavations souterraines, présente un intérêt majeur pour la compréhension et la prédiction du comportement de ces ouvrages. Elle demeure à ce jour un objectif complexe et ambitieux et nourrit de nombreux travaux de recherche scientifique et technique.
Cette problématique de caractérisation concerne notamment les recherches sur, d’une part, la stabilité à long terme des anciennes mines et carrières souterraines, et d’autre part, l’impact de la construction des ouvrages d’un stockage géologique de déchets radioactifs sur les propriétés de confinement de la barrière géologique.
Du point de vue mécanique, un massif rocheux est initialement comprimé sous l’action des contraintes naturelles. La réalisation d’une excavation souterraine engendre des modifications profondes du milieu, notamment en terme de champs de contraintes, de pressions interstitielles et/ou d’état hydrique. Cette évolution peut dans certains cas s’avérer très défavorable et impacter les caractéristiques du massif rocheux de telle manière à faire apparaître des risques tels que:

• la rupture locale ou globale d’ouvrages souterrains (ruptures de piliers ou de bancs entre couches, par exemple, pour les mines et carrières souterraines) susceptible de remettre en cause la sécurité de l’exploitation ou des enjeux en surface;
• l’apparition d’une EDZ (Excavated Damaged Zone), pour les stockages géologiques, susceptible de modifier le sens des écoulements des eaux souterraines (augmentation de la perméabilité du massif rocheux, par exemple, autour des alvéoles et des galeries d’un stockage et création d’un court - circuit hydraulique susceptible de constituer un chemin préférentiel pour le transfert des radioéléments) et de soulever ainsi des problèmes critiques de conception en terme de sécurité à très long terme.

Concernant les stockages, on attribue l’origine de l’EDZ à des sollicitations mécaniques (excavation) auxquelles se rajoutent des sollicitations hydromécaniques (cinétique de dissipation des pressions interstitielles et de désaturation de la roche). Le développement de la zone endommagée peut être instantané et/ou différé. Son extension dépend de la géométrie de l’ouvrage, de l’état de contraintes initial dans le massif, de la rhéologie de la roche, de la technique et de l’historique du creusement, du type de soutènement ou de revêtement et des conditions d’utilisation de l’ouvrage (température, hygrométrie).
Une des difficultés rencontrées dans l’étude de l’extension initiale et de l’évolution de la zone endommagée, notamment pour leur prédiction par de la modélisation numérique, réside dans l’aptitude à identifier des paramètres pertinents et robustes permettant de décrire la rhéologie du massif rocheux.
Traditionnellement la caractérisation de ces paramètres se fait en laboratoire de surface sur des échantillons de petite taille (76*38 mm), ou par rétro-analyse à partir d’expérimentations in situ du type «creusement instrumenté» appelé communément «mine - by test». Le retour d’expérience, compte tenu de la complexité des mécanismes recherchés et des échelles de temps concernées, montre que:

• Les paramètres identifiés ne permettent souvent pas de reproduire par la modélisation les observations de l’extension et de l’intensité de la zone endommagée, notamment pour ce qui concerne son évolution en fonction du temps;
• Les expérimentations in situ de type «mine - by test» présentent trop d’incertitudes liées aux conditions de creusement/soutènement pour être utilisées dans une perspective d’identification des paramètres rhéologiques.

L’objectif de la thèse vise à proposer une méthodologie expérimentale permettant d’acquérir in-situ les paramètres décrivant le comportement rhéologique du massif rocheux, à une échelle intermédiaire, plus représentative que celle de l’échantillon testé en laboratoire, et pour des chemins de chargement en adéquation avec les sollicitations engendrées par le creusement d’une galerie. Des aspects théoriques doivent être envisagés pour développer l’interprétation de ces données.

2. Volet expérimental

Dans ce volet, dans un premier temps, on privilégiera, l’interprétation de données expérimentales disponibles. En effet, en 2005 et 2006, l’INERIS et l’IRSN ont conduit des campagnes de mesures par la méthode du surcarottage autour du tunnel et des galeries de la station expérimentale de Tournemire. Ces investigations ont permis de disposer d’un ensemble de données de déformations du massif rocheux (argilite toarcienne) dans différentes configurations de géométrie, de condition de saturation du massif et d’âge d’ouvrage. Associés aux opérations de surcarottage, nous disposons également de nombreux essais biaxiaux réalisés sur les surcarottes.
Le traitement de ces données et leur mise en regard avec les conditions expérimentales permettront de tirer des premiers enseignements sur la caractérisation des propriétés élastiques de la roche à une échelle représentative de la variabilité du matériau. On identifiera les paramètres liés à la mise en œuvre expérimentale pouvant influencer significativement les données (fluide de foration, élévation de la température dans le massif pendant le carottage, vitesse d’avancement du carottier…). Cette première étape pourra faire appel à la modélisation numérique, en utilisant des lois de comportement simples (élasticité isotrope transverse et poroélasticité), pour simuler l’opération de surcarottage.
Dans un deuxième temps, l’objectif de ce volet, sera de dimensionner une expérimentation in-situ permettant de remonter aux propriétés rhéologiques thermohydromécaniques de la roche en minimisant les effets d’échelle et en s’affranchissant des effets liés aux conditions expérimentales rencontrées dans les expérimentations de type mine by test. La qualification de cette méthode pourra s’effectuer dans les installations souterraines de la station expérimentale de Tournemire.

3. Volet théorique

La thèse s’appuiera sur un retour d’expérience de travaux de recherche et d’expertise conduits depuis plusieurs années par l’INERIS et de l’IRSN, en matière:

• de conception, mise en œuvre et d’interprétation de mesures géotechniques et géophysiques in situ, dans un but de caractérisation du comportement rhéologique de massifs rocheux;
• de développement théorique sur le comportement différé des argilites;
• de compréhension des mécanismes à l’origine de l’endommagement.

La méthode dite «de sous - excavation», consistant à interpréter des données géomécaniques obtenues au cours de la sollicitation d’un massif (creusement d’un ouvrage par exemple) et utilisée pour la détermination des contraintes naturelles, pourrait être adaptée, optimisée et testée pour la détermination des caractéristiques rhéologiques. Une étude de sensibilité, par simulations numériques, de cette méthode vis-à-vis de différents facteurs jugés influents (hétérogénéité, endommagement, couplages hydromécaniques, etc.) pourrait également être envisagée.

4.Eléments bibliographiques

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Souley M., Su K., Armand G. et Ghoreychi M., 2007, Poromechanical behaviour of deep claystone and permeability changes around schaft, Int. Workshop on Const. Modelling - Develop., Implem., Eval., and Applic., Hong Kong, China, 12 - 13 january 2007.

Tastet J., Contrucci I., Klein E., Driad-Lebeau L. et Bigarré P., 2007, Large scale field experiment to calibrate microseismic source parameters applied to real time monitoring of post - mining instabilities, 11th Int'l Congress on Rock Mechanics ISRM 2007,Lisbon, Portugal, 9 - 13 July 2007.

http://net-science.irsn.org
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