Modelling of the damaged zone induced by the shaft sinking of the Meuse/Haute-Marne underground laboratory (East argilites)
Modélisation de la zone endommagée induite par le creusement du puits d'accès au laboratoire souterrain de Meuse/Haute-Marne (argilites de l'Est)
Résumé
From a geomechanical point of view, the safety of an underground storage for the radioactive waste requires to characterize the damaged zone induced by the shaft sinking for the storage cavities. Then, the objective of this thesis is to simulate the hydro-mechanical response of the East argilites to the shaft sinking for the Meuse/Haute-Marne underground laboratory, in order to compare the results to the in situ measurements which will be recorded in 2005 (REP experiment).
Firstly we have analysed all the mechanical tests which had been carried out from 1995 to 2001. We have observed that each series has his own coherence, in terms of elastic parameters, mechanical strength or creep capacity. But there are some strong différences between the series. These différences, which are due to the experimental protocols and not to the material itself, have shown three important results : the resaturation phases imposed by several laboratories have deteriorated the mechanical properties of the East argilites, the existence of an effective stress is not evident for these argilites, and their mechanical strength increases when they are dried.
From these tests, we have distinguished three mechanisms that produce irreversible strains: compaction, pre-failure, failure. We have described each of them by a straightforward elasto-plastic model, based on the Mohr-Coulomb or Drücker-Prager criterion, with a linear softening. Thus we obtain a complete rheological model for the East argilites by considering simultaneously the three mechanisms (multi-criterion plasticity).
Lastly, from the modelling we carried out, we can conclude that: to take into account the irreversible strains that occur before the failure has a great influence on the seize of the failure zone around the shaft (it is very small with respect to the case where the behaviour is elastic until the failure); the pore pressure diffusion modifies very little the mechanical response of the massif (the plastic strains created by the mechanical unloading don't evolve during the drainage of the massif); the anisotropy of the natural horizontal stresses has a great influence on the excavation damaged zone (polarization in azimuth); finally, we have shown that the details of the excavation phasing are dispensable.
Firstly we have analysed all the mechanical tests which had been carried out from 1995 to 2001. We have observed that each series has his own coherence, in terms of elastic parameters, mechanical strength or creep capacity. But there are some strong différences between the series. These différences, which are due to the experimental protocols and not to the material itself, have shown three important results : the resaturation phases imposed by several laboratories have deteriorated the mechanical properties of the East argilites, the existence of an effective stress is not evident for these argilites, and their mechanical strength increases when they are dried.
From these tests, we have distinguished three mechanisms that produce irreversible strains: compaction, pre-failure, failure. We have described each of them by a straightforward elasto-plastic model, based on the Mohr-Coulomb or Drücker-Prager criterion, with a linear softening. Thus we obtain a complete rheological model for the East argilites by considering simultaneously the three mechanisms (multi-criterion plasticity).
Lastly, from the modelling we carried out, we can conclude that: to take into account the irreversible strains that occur before the failure has a great influence on the seize of the failure zone around the shaft (it is very small with respect to the case where the behaviour is elastic until the failure); the pore pressure diffusion modifies very little the mechanical response of the massif (the plastic strains created by the mechanical unloading don't evolve during the drainage of the massif); the anisotropy of the natural horizontal stresses has a great influence on the excavation damaged zone (polarization in azimuth); finally, we have shown that the details of the excavation phasing are dispensable.
L'étude de sûreté d'un stockage souterrain de déchets radioactifs passe, du point de vue de la géomécanique, par la caractérisation de la zone endommagée induite par le creusement du puits d'accès aux cavités de stockage. L'objet de cette thèse est donc de simuler la réponse hydro-mécanique des argilites de l'Est au creusement du puits d'accès au laboratoire souterrain de Meuse/Haute-Marne, en vue d'une comparaison avec les mesures qui seront acquise in situ en 2005 (expérimentation REP).
Nous avons d'abord analysé l'ensemble des essais mécaniques qui ont été réalisés entre 1995 et 2001. Nous observons que chaque série d'essais a sa propre cohérence, que ce soit en termes de paramètres élastiques, de résistance à la rupture ou de capacité au fluage. Mais il existe de fortes différences entre les séries. Ces différences, qui sont dues au protocoles expérimentaux et non au matériau, nous ont permis de mettre en évidence trois résultats importants : les phases de resaturation imposées par plusieurs laboratoires ont dégradé les propriétés mécaniques des argilites de l'Est, l'existence d'une contrainte effective au sens de Biot n'est pas évidente pour ces argilites, et leur résistance à la rupture augmente nettement avec le séchage.
D'après ces essais, nous avons distingué trois mécanismes de déformation irréversible : compaction, pré-rupture, rupture. Nous les avons décrits chacun par une loi de comportement élasto-plastique simple, fondée sur le critère de Mohr-Coulomb ou de Drücker-Prager, avec un écrouissage linéaire. On obtient alors une loi de comportement complète pour les argilites de l'Est en considérant les trois mécanismes simultanément (plasticité multi-critère).
Enfin, les différentes modélisations que nous avons réalisées permettent de tirer les conclusions suivantes :la prise en compte des déformations irréversibles avant-rupture (compaction et pré-rupture) a pour effet de réduire considérablement l'extension de la zone en rupture qui apparaît autour du puits (par rapport au cas où le comportement est élastique jusqu'à la rupture) ; la diffusion des pressions interstitielles modifie peu la réponse mécanique du massif (en particulier, les déformations plastiques créées lors du déchargement mécanique n'évoluent pas au cours du drainage du massif) ; l'anisotropie des contraintes naturelles horizontales, dont par ailleurs nous confirmons l'existence, influence fortement la zone endommagée autour du puits (polarisation en azimut) ; enfin nous montrons qu'il n'est pas indispensable de simuler le détail des opérations de creusement du puits.
Nous avons d'abord analysé l'ensemble des essais mécaniques qui ont été réalisés entre 1995 et 2001. Nous observons que chaque série d'essais a sa propre cohérence, que ce soit en termes de paramètres élastiques, de résistance à la rupture ou de capacité au fluage. Mais il existe de fortes différences entre les séries. Ces différences, qui sont dues au protocoles expérimentaux et non au matériau, nous ont permis de mettre en évidence trois résultats importants : les phases de resaturation imposées par plusieurs laboratoires ont dégradé les propriétés mécaniques des argilites de l'Est, l'existence d'une contrainte effective au sens de Biot n'est pas évidente pour ces argilites, et leur résistance à la rupture augmente nettement avec le séchage.
D'après ces essais, nous avons distingué trois mécanismes de déformation irréversible : compaction, pré-rupture, rupture. Nous les avons décrits chacun par une loi de comportement élasto-plastique simple, fondée sur le critère de Mohr-Coulomb ou de Drücker-Prager, avec un écrouissage linéaire. On obtient alors une loi de comportement complète pour les argilites de l'Est en considérant les trois mécanismes simultanément (plasticité multi-critère).
Enfin, les différentes modélisations que nous avons réalisées permettent de tirer les conclusions suivantes :la prise en compte des déformations irréversibles avant-rupture (compaction et pré-rupture) a pour effet de réduire considérablement l'extension de la zone en rupture qui apparaît autour du puits (par rapport au cas où le comportement est élastique jusqu'à la rupture) ; la diffusion des pressions interstitielles modifie peu la réponse mécanique du massif (en particulier, les déformations plastiques créées lors du déchargement mécanique n'évoluent pas au cours du drainage du massif) ; l'anisotropie des contraintes naturelles horizontales, dont par ailleurs nous confirmons l'existence, influence fortement la zone endommagée autour du puits (polarisation en azimut) ; enfin nous montrons qu'il n'est pas indispensable de simuler le détail des opérations de creusement du puits.