Crack initiation and propagation in clay rock under gas pressure: experimental and numerical study.
Initiation et propagation des fissures dans une roche argileuse sous pression de gaz : étude expérimentale et numérique.
Résumé
The French National Agency for Radioactive Waste Management (Andra) has carried
out numerous studies xithin the framework of the Cigéo project for the storage of radioactive
waste in a deep geological repository. One of these studies is to characterise the
behaviour of the argillite subjected to an increase in pressure linked to the production of
gas by corrosion and radiolysis within the storage depostory. In this thesis, the initiation
and propagation of the cracks thus created are studied experimentally at the centimetre
scale in order to complete a continuous numerical model simulating swelling and cracking
using poro-elasticity, and to improve existing representations of the material. The
model is based on a formulation that also allows self-sealing to be modelled.
In order to observe the propagation path of cracks generated by the pressure increase
on a sample scale, X-ray tomography was chosen. This technology, which allows us to
see inside opaque materials, requires long acquisition times compared to the velocity of
fracture propagation. Using a discrete numerical study based on linear fracture mechanics,
a novel experimental protocol based on an orthoradial stiffness addition was developed to
achieve optimal control of cracking and to allow its observation.
A first experimental campaign, without tomography, highlighted the effects of the
orientation of the bedding, the degree of saturation and the injected fluid on the initiation
of the crack and the strength of the argillite. A second experimental campaign, with
tomography, made it possible to study the propagation of a crack, the impact of pyrite
inclusions and the heterogeneity of the material.
The transition to a poro-elastic model with fluid mechanical loading required the addition
of a strong damage-permeability coupling. The tests of the first campaign were then
simulated from resaturation to fracturing.
Dans le cadre du projet Cigéo pour le stockage des déchets radioactifs en couche géologique
profonde, l’Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs a mené de
nombreuses études pour caractériser le comportement de l’argilite soumise à une augmentation
de la pression liée à une production de gaz par corrosion et radiolyse au sein
des alvéoles de stockage. Dans cette thèse, l’initiation et la propagation des fissures ainsi
créées sont étudiées expérimentalement à l’échelle centimétrique afin de développer un
modèle numérique continu simulant le gonflement et la fissuration à l’aide de la poroélasticité
et de l’endommagement, et ainsi d’améliorer les représentations existantes du
matériau. Le modèle s’appuie sur une formulation poro-élastique endommageable précédemment
développée pour la modélisation de l’auto-colmatage.
Pour observer le chemin de propagation des fissures générées par l’augmentation de
pression à l’échelle d’un échantillon, le choix s’est porté sur la tomographie à rayons X.
Cette technologie, permettant de voir à l’intérieur de matériaux opaques, nécessite des
temps d’acquisition longs au regard de la vitesse de propagation de la fracture. A partir
d’une étude numérique discrète basée sur la mécanique linéaire de la rupture, un protocole
expérimental inédit basé sur un apport de rigidité orthoradiale a été développé pour obtenir
une maîtrise optimale de la fissuration et permettre son observation.
Une première campagne expérimentale, sans tomographie, a mis en avant les effets
de l’orientation du litage, du degré de saturation et du fluide utilisé sur l’initiation de la
fissure et la résistance de l’argilite. Une deuxième campagne expérimentale, avec tomographie,
a permis d’étudier la propagation d’une fissure, l’impact des inclusions de pyrite
et l’hétérogénéité du matériau.
Le passage à un modèle poro-élastique avec un chargement mécanique fluide a notamment
nécessité l’ajout d’un couplage fort endommagement-perméabilité. Les essais
de la première campagne ont alors été simulés de la resaturation jusqu’à la fracturation.
Domaines
Génie civil| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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