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Theses Year : 2005

Influence aqueous solutions on the mechanical behavior of argillaceous roks

Influence des solutions aqueuses sur le comportement mécanique des roches argileuses

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Abstract

The hydration of the shale with an aqueous solution induces a swelling deformation which plays an
important role in the behaviour of the structures excavated in this type of grounds. This deformation
is marked by a three-dimensional and anisotropic character and involves several mechanisms
like adsorption, osmosis or capillarity.
Several researches were dedicated to swelling and were often much debated due to the complexity of
the implied phenomena. The goal of this thesis is therefore to contribute to a better understanding
of shale swelling when the rock is confined and hydrated with an aqueous solution. The main part
of the work accomplished was related to the Lorraine shale and to the Tournemire shale.
To characterize swelling and to identify the main governing parameters, it was necessary to start the
issue with an experimental approach. Many apparatus were then developed to carry out tests under
various conditions of swelling. In order to facilitate the interpretation of the tests and thereafter
the modelling of the behaviour, the experimental procedure adopted consisted of studying first the
mechanical aspect and then the chemical aspect of swelling.
In the mechanical part, swelling was studied by imposing on the sample a mechanical loading while
maintaining during the tests the same aqueous solution. The principal parameters which were studied
are the effect of the lateral conditions on axial swelling (impeded strain or constant stress) as
well as the influence of the axial stress on radial swelling. The anisotropy of swelling was studied
by carrying out, for different orientations of the sample, tests of free swelling, impeded swelling and
uniaxial swelling. These various mechanical tests allowed to study the three-dimensional anisotropic
swelling in all the conditions and to select the most appropriate test to be used in the second phase
of the research.
The precise analysis performed to explain the mechanisms behind the swelling of an argillaceous rock
when it is in contact of water showed that the mechanical response is ruled mainly by electrochemical
phenomena which operate between the solution elements and the clay layers. This important
result oriented the research to develop better the role of the chemistry in the behaviour. Swelling
was therefore analysed by imposing on the sample a chemical loading while maintaining constant
the axial stress. Monovalent and divalent salts which were used with various concentrations are
the sodium chloride (NaCl), the potassium chloride (KCl) and the calcium chloride (CaCl2). The
foreseen objective was to analyze the effect of the chemical path with decreasing or cyclic concentrations
and to highlight the role of the solution normality, the type of salt and the anisotropy on
the axial swelling.
The experimental results obtained allowed the development of a new rheological model which takes
into account the time, the anisotropy, the applied loading and the chemistry of the solution. This
model was implemented in a finite element code to simulate simple cases and to prove its validity.
La mise en contact d'une roche argileuse avec une solution aqueuse entraîne l'apparition d'un gonflement qui joue un rôle important dans le comportement des ouvrages creus ́es dans ce type de terrain. Cette déformation est marquée par un caractère tridimensionnel et anisotrope et fait intervenir plusieurs mécanismes comme l'adsorption, l'osmose ou la capillarité. Plusieurs travaux de recherche se sont intéressés au gonflement et ont souvent ́été controversés en raison de la complexité des phénomènes impliqués. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de ces recherches et vise à contribuer à la compréhension du gonflement des roches argileuses lorsqu'elles sont confinées et soumises à une solution hydratante. L'essentiel des travaux réalisés dans cette thèse a concerné l'argilite de Lorraine et l'argilite de Tournemire. Pour caractériser le gonflement et identifier les principaux paramètres qui le gouvernent, il était nécessaire d'aborder le problème en premier lieu avec une approche expérimentale. De nombreux dispositifs ont alors été mis au point afin de réaliser des essais dans différentes conditions de gonflement. Afin de faciliter l'interprétation des essais et par la suite la modélisation des comportements observés, la démarche expérimentale adoptée a consisté à étudier le gonflement à partir d'une analyse mécanique suivie d'une analyse chimique. Dans la partie mécanique, le gonflement a été étudié en imposant à l'échantillon des sollicitations mécaniques et en maintenant invariante la solution d'hydratation durant les essais. Les principaux points examinés étaient, d'une part, l'effet des conditions aux limites latérales sur le gonflement axial (déplacement nul ou contrainte constante), et d'autre part, l'influence de la contrainte axiale et son historique de déchargement sur le gonflement radial. L'anisotropie du gonflement a été étudiée en effectuant, pour différentes orientations de l'échantillon, des essais de gonflement libre, de gonflement empêché et de gonflement uniaxial. Cet ́éventail d'essais mécaniques a permis d'étudier le gonflement tridimensionnel anisotrope en passant du gonflement maximal au gonflement nul et de choisir le type d'essai le plus approprié à utiliser dans la suite de la recherche. L'analyse précise effectuée pour expliquer les mécanismes qui sont à l'origine du gonflement a montré que le comportement est surtout régi par des phénomènes électrochimiques qui s'opèrent entre les ions de la solution et les feuillets argileux. Ce résultat important nous a conduit à développer plus en détail dans la partie chimique le rôle de la solution aqueuse. Dans cette partie, le gonflement a été dans ce cas étudié en imposant à un échantillon des sollicitations chimiques tout en maintenant constante la contrainte axiale appliquée durant les essais. Les sels monovalents et le sel divalent utilisés à différentes concentrations sont le chlorure de sodium (NaCl), le chlorure de potassium (KCl) et le chlorure de calcium (CaCl2). L'objectif recherché était d'analyser les effets de l'historique du chemin chimique avec des concentrations décroissantes ou des concentrations cycliques et de mettre en évidence, sur le gonflement axial, le rôle de la normalité de la solution, de chaque type de sel, de l'anisotropie et de la contrainte appliquée.
Les résultats expérimentaux obtenus ont permis le développement d'un modèle rhéologique qui prend en considération le temps, l'anisotropie, le chargement appliqué et le chimisme de la solution d'hydratation. Ce modèle a été intégré dans un code numérique et des applications sur des cas simples ont été réalisées pour montrer sa validité.
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Dates and versions

tel-00011993 , version 1 (20-03-2006)

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  • HAL Id : tel-00011993 , version 1

Cite

Jad Wakim. Influence des solutions aqueuses sur le comportement mécanique des roches argileuses. Sciences de l'ingénieur [physics]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2005. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00011993⟩
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