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
Ben Slimane K., Thoraval A. et Ozanam O.,
2003, The REP experiment at the Bure underground research laboratory,
programme and design, Proceedings of the 10th International Congress
on Rock Mechanics ISRM 2003, 8 - 12 septembre 2003, Johanesbourg,
Afrique du Sud, vol. 2, pp. 1099 - 1103.
Lahaie, F., Bigarré,
P., Al Heib., M., Josien, J. P. and Noirel, J.F., 2003, Large - scale
characterisation of in-situ stress field in a complex mining district
prone to rockbursting, Proceedings of the 10th International Congress
on Rock Mechanics ISRM 2003, 8 - 12 septembre 2003, Johanesbourg,
Afrique du Sud, vol. 2, pp. 689 - 694.
Rejeb A. et Cabrera
J., 2006, Time - dependant evolution of the excavation damaged zone
in the argillaceous Tournemire site (France), GEOPROC 2006 -
International Conference on Coupled TMC Processes in Geosystems:
Fundamentals, modelling, Experiments and Applications. Nanjing, Ho
Haï University (China).
Rejeb A., Millard A., Rouabhi A.
et Tijani M., 2006, Modelling approach of the excavation damaged zone
(EDZ) around the old tunnel at the argillaceous Tournemire site,
GEOPROC 2006 - International Conference on Coupled TMC Processes in
Geosystems: Fundamentals, modelling, Experiments and Applications.
Nanjing, Ho Haï University (China)
Rouabhi A., Tijani M.
et Rejeb A., 2006, Triaxial behaviour of transversely isotropic
materials: Application to sedimentary rocks. International Journal of
Rock Mechanics & Mining Sciences, 42 (5 - 6), Spec. issue, John
Wiley & Sons pp.
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.