Experimental and Numerical Study of Gypsum Durability in Geotechnical Structures: Coupled Hydro-Mechanical and Chemical Approach
Étude expérimentale et numérique de la durabilité du gypse dans les structures géotechniques : Approche couplée hydro-mécanique et chimique
Résumé
The extension of anthropogenic activities leads to the development of infrastructure in areas rich in gypsum and therefore subject to the hazards of land movement (sliding) and cavities (settling/collapse). If the dissolution kinetics of this highly soluble material (2.5 g/L at 20°C) have been the subject of numerous studies, the poromechanical properties of the different facies of this rock remain less well known. Although this low permeability rock has a porous structure allowing fluid circulation, it is often considered impermeable and subject to simple dissolution by regression of its surface in contact with surrounding fluids, without formation of gradient alteration. This thesis work begins with a fine characterization of 6 gypsum facies whose total porosity (Nt) is between 0 and 12% with elastic moduli (E) from 14 to 36 GPa. The petrographic, mineralogical and chemical analysis supplemented by porosimetry measurements by mercury intrusion made it possible to develop a classification of gypsum facies linked to their capacity to form preferential paths during dissolution. Percolation tests then demonstrate the feasibility of flow through gypsum rocks depending on the facies. The development of alteration gradient linked to the visible effects of dissolution with the increase in pore diameters followed or not by the appearance of preferential paths depending on whether or not the pore size reaches a threshold value in terms of size. In parallel, dissolution tests on powder produced parameters characteristic of the dissolution rate of gypsum with n 1.7 to 2.7 and 02 to 7.10-2 mol/m²/sec demonstrating the low impact of facies on these parameters. The variation of the parameters agitation speed of the suspensions (or flow speed), temperature and particle size of the powders tested made it possible to determine respectively the dissolution rate at zero speed (0), the activation energy of the process of dissociation for gypsum facies surface sites (Ea) and the role of specific grain surface area. All of these chemical parameters and microstructural parameters (porosity, pore diameter, etc.) obtained experimentally respectively on the powders and the percolated specimens ultimately fed into a model for predicting the evolution of the mechanical and hydraulic properties of gypsum materials. in the presence of a dissolution process (Hydro Mechanical and Chemical modeling or HMC with coupling of effects). The model was successfully implemented in the Disroc finite element calculation code to simulate the evolution on a small scale of specimens percolated in the laboratory and on a larger scale of the mechanical stability of a geotechnical structure subjected to a fluid flow under saturated, seeping into a pocket of gypsum.
L’extension des activités anthropiques conduit au développement d’infrastructures dans des zones riches en gypse et soumises de ce fait aux aléas mouvement de terrain (glissement) et cavité (tassement/effondrement). Si la cinétique de dissolution de ce matériau fortement soluble (2,5 g/L à 20°C) a fait l’objet de nombreuses études, les propriétés poromécaniques des différents faciès de cette roche restent moins bien connues. Bien que cette roche à faible perméabilité dispose d’une structure poreuse permettant une circulation de fluide, elle est souvent considérée comme imperméable et faisant l’objet d’une simple dissolution par régression de sa surface au contact des fluides environnants, sans formation de gradient d’altération. Ce travail de thèse débute par une caractérisation fine de 6 faciès de gypse dont la porosité totale (Nt) est comprise entre 0 et 12% avec des modules élastiques (E) de 14 à 36 GPa. L’analyse pétrographique, minéralogique, chimique complétée par des mesures de porosimétrie par intrusion de mercure a permis d’élaborer une classification des faciès gypseux mis en relation avec leur capacité à former des chemins préférentiels lors de la dissolution. Des essais de percolation démontrent ensuite la faisabilité d’un écoulement à travers les roches gypseuses selon le faciès. Le développement de gradient d’altération lié aux effets visible de la dissolution avec l’augmentation des diamètres de pore suivie ou non par l’apparition de chemins préférentiels selon que la taille des pores atteint ou non une valeur seuil en termes de taille. En parallèle, des essais de dissolution sur poudre ont produit des paramètres caractéristiques de la vitesse de dissolution du gypse avec n 1,7 à 2,7 et 02 à 7.10-2 mol/m²/sec démontrant le faible impact du faciès sur ces paramètres. La variation des paramètres vitesse d’agitation des suspensions (ou vitesse d’écoulement), température et granulométrie des poudres testées a permis de déterminer respectivement le taux de dissolution à vitesse nulle (0), l’énergie d’activation du processus de dissociation pour les sites de surface des faciès gypseux (Ea) et le rôle de la surface spécifique des grains. L’ensemble de ces paramètres chimiques et des paramètres microstructuraux (porosité, diamètre de pore,…) obtenus expérimentalement respectivement sur les poudres et les éprouvettes percolées ont alimenté au final un modèle de prédiction de l’évolution des propriétés mécaniques et hydrauliques des matériaux gypseux en présence d’un processus de dissolution (modélisation Hydro Mécanique et Chimique ou HMC avec couplage des effets). Le modèle a été implémenté avec succès dans le code de calculs aux éléments finis Disroc pour simuler l’évolution à petite échelle des éprouvettes percolées au laboratoire et à plus grande échelle de la stabilité mécanique d’un ouvrage géotechnique soumis à un écoulement de fluide sous saturé, s’infiltrant dans une poche de gypse.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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