Laboratoire d'accueil : Laboratoire de recherche sur le stockage géologique des déchets et les transferts dans les sols (LR2S)

Date de début de thèse : 04/10/2010

Nom du doctorant : Simona Saba

Contexte

La thèse proposée est étroitement reliée au programme de recherche SEALEX (performance of SEAling EXperiments) que le LR2S a initié et qui vise à vérifier que les dispositifs de fermeture des ouvrages envisagées par l’Andra (bouchons d’alvéole, scellements de puits et de galerie) permettent de maîtriser les possibles écoulements d’eau vers les aquifères supérieurs et la biosphère sur le long terme. Ceci repose en particulier sur une caractérisation de la cinétique et de l’homogénéité de la resaturation des composants en argile gonflante (bentonite), et de l’étanchéité de l’interface entre l’ouvrage et le milieu géologique ;
La partie expérimentale (in situ) du projet SEALEX est basée sur la mise en place de 7 essais de scellement in situ (2 par an à partir de 2010), dans des conditions représentatives du long terme (i.e. isothermes et saturées, hors effet des gaz), pour différentes configurations (composition du noyau gonflant, conditions d’évolution altérées ou non) afin de quantifier :

• La performance globale à long terme de scellements en conditions normales (non altérées), pour
  différents types de noyaux argileux (MX80 pure compactée in situ, mélanges MX80/sable précompactés)
• L’impact de choix constructifs (géométrie intra noyau, i.e. joints de construction dans le cas de blocs précompactés) sur les propriétés hydrauliques des scellements
• La performance de scellements en conditions altérées (saturation incomplète du noyau gonflant, rupture des massifs d’appui)

Les résultats qui seront acquis dans ce projet permettront à l’IRSN d’améliorer les outils/méthodes de simulation numérique et de vérifier les ordres de grandeur annoncés par le concepteur des performances possibles de ces composants.
La partie expérimentale (laboratoire) du projet SEALEX prévoit, un programme de caractérisation de l’argile gonflante à partir :

• D’essais hydromécaniques visant à déterminer les spécifications du matériau gonflant du noyau (mélange MX80-sable précompacté) afin qu’il puisse assurer une pression de gonflement nominale de 3 à 4 MPa et que la perméabilité globale du scellement soit inférieure à 10-11 m/s ;
• D’essais visant à déterminer les propriétés hydromécaniques dans le domaine saturé et non saturé ;
• D’essais de caractérisation du comportement d’ensemble sous rupture d’appui (reprise de gonflement).

Programme de recherche envisagée

Volet expérimental

La première partie du programme de recherche de cette thèse consistera à ré analyser les résultats des essais de laboratoire réalisés dans le cadre du projet SEALEX (cf. § précédent), et à les comparer aux données déjà existantes dans la littérature pour ce type de matériau.
En lien étroit avec ces expérimentations mais de portée plus fondamentale, d’autres caractéristiques de l’argile gonflante seront étudiées expérimentalement dans le cadre de cette thèse :

• Le comportement hydromécanique des joints inter-blocs. Il s’agira ici de caractériser l’impact que les joints initiaux1 (entre les blocs précompactés) peuvent avoir sur la cinétique de resaturation, sur le développement de la pression de gonflement, et sur la performance hydraulique finale de l’ouvrage ;
• Le comportement différé intrinsèque à l’état saturé. En effet, le comportement différé habituellement pris en compte dans les modélisations numériques de noyaux argileux provient indirectement de la cinétique de saturation et de son couplage avec la mécanique (déformation volumique, contrainte effective moyenne). Bien que ces modèles semblent validés pour représenter l’évolution à court et à moyen terme des noyaux argileux lors de leur resaturation (c.-à-d. des phases durant lesquelles le noyau argileux gonfle et remplit le volume disponible), ils prédisent en général un état final resaturé dans lequel dans les contraintes intra noyau possèdent une composante déviatoire non négligeable. Deux questions, encore très peu étudiées à l’heure actuelle (hormis quelques travaux en Suède), se posent alors :

1. Comment ces contraintes (intra noyau) de cisaillement vont-elles évoluer (se relaxer ?) avec le temps, dans le cas où le volume reste constant ?
2. A plus long terme, la rupture progressive des massifs d’appui2 va générer de nouvelles contraintes de cisaillement dans le noyau, et il est légitime de s’attendre à un fluage de l’argile du noyau vers les nouveaux vides créés (a priori en conditions restant saturées). Quelle va être la cinétique de ces déformations ?
   

Il s’agira donc ici de mettre en oeuvre des essais de laboratoire permettant d’apporter des réponses à ces deux questions.

Volet modélisation

Comportement sous resaturation
A partir de l’interprétation des essais de laboratoire SEALEX et des essais réalisés dans le cadre de cette thèse, les résultats obtenus seront utilisé pour identifier les paramètres de modèles hydromécaniques pertinents pour modéliser la resaturation des noyaux :

• L’aptitude des modèles utilisés à reproduire les résultats des différents essais (sollicitation hydrique) de laboratoire sera testée, et si nécessaire ceux-ci pourront être adaptés ;
• Ces modèles seront ensuite utilisés pour modéliser la resaturation des différentes configurations d’expérimentations in situ, y compris les cas avec joints internes.

Les résultats des premières expérimentations, qui seront disponibles progressivement au cours de la thèse, seront alors utilisés comme données de validation.

Comportement différé intrinsèque
On cherchera ici à améliorer la modélisation du comportement différé intrinsèque des argiles de noyau, par une démarche en deux temps :

• Le développement d’un modèle de comportement permettant de tenir compte du comportement différé intrinsèque de l’argile des noyaux, dont les paramètres seront identifiés à partir des essais de laboratoire réalisés (objet du point 2 du $2.a) ;
• L’application de ce modèle au calcul de structures réalistes :

1. L’évolution des contraintes/déformations à l’intérieur de noyaux saturés en fonction du temps en conditions isochores ;
2. L’évolution de noyaux saturés sous conditions de perte de confinement. Ces calculs fourniront des prédictions à l’aveugle de l’essai in situ de retrait prévu dans SEALEX.