Experimental and theoretical study of suspension injection in a granular medium. Application to cement grouts.
Etude expérimentale et théorique de l'injection d'une suspension dans un milieu granulaire. Application aux coulis de ciment
Résumé
This work deals with the problem of suspension flow in a porous medium in presence of filtration, with application to the injectability of a cement grout in a sand matrix. A theoretical model has first been developped to describe the flow of the suspension within the porous medium. The model is of the macroscopic type, based on the mass conservation equations, Darcy's law and on the definition of evolution laws for the intrinsic permeability of the porous medium and for the volume filtration rate. The flow problem is then numerically solved based on finite elements method, for the one-dimensional case as well as for the radial case. In order to propose pertinent laws for the evolution of permeability and filtration rate, a specific experimental device was developped allowing the injection of small thickness samples. In particular, this device has allowed to study the influence of significant parameters on the injection process. Furthermore, some tests have been carried out on other experimental devices (short columns and long columns devices) in order to better understand the injection mechanisms. The results obtained have allowed to show the pertinence of a linear evolution law for the filtration rate and of a hyperbolic evolution law for the intrinsic permeability of the porous medium. Finally, a first validation of the proposed model has been done based on complementary results obtained on long columns.
On s'intéresse, dans le cadre de ce travail, à la problématique de l'injection d'une suspension dans un milieu poreux en présence de filtration, avec application à l'injectabilité de coulis de ciment dans des sables. Un modèle théorique a tout d'abord été élaboré pour décrire l'écoulement de la suspension au sein du milieu poreux. Il s'agit d'un modèle macroscopique basé sur les équations de conservation de masse, sur l'équation d'écoulement de Darcy et sur des lois d'évolution de la perméabilité intrinsèque du milieu poreux et du taux de filtration volumique. Ensuite, le problème de l'écoulement est résolu numériquement en utilisant la méthode des éléments finis, pour l'écoulement unidimensionnel ainsi que pour l'écoulement radial. Afin de proposer des lois petinentes pour les évolutions de la perméabilité et du taux de filtration, on a développé un dispositif expérimental spécifique d'injection d'éprouvettes de faible hauteur. Ce dispositif a, en particulier, permis de mettre en évidence l'influence de paramètres significatifs sur le déroulement du processus d'injection. On a, de plus, réalisé des essais sur d'autres dispositifs (essais sur colonnes courtes et longues) en vue d'approfondir la compréhension des mécanismes de l'injection. Les essais réalisés ont, en particulier, permis de montrer la pertinence d'une loi d'évolution linéaire du taux de filtration et d'une loi d'évolution hyperbolique de la perméabilité intrinsèque du milieu. Finalement, une première validation du modèle proposé a été réalisée à partir de résultats expérimentaux complémentaires obtenus sur colonnes longues.