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Prévoir le comportement mécanique de la roche

Modéliser l’endommagement de l’argilite


Concevoir un site de stockage de déchets radioactifs en profondeur impose de procéder à différentes excavations. Cela induit, autour des ouvrages, une modification du champ de contraintes mécaniques au sein de la roche ainsi que des déformations (de cisaillement et volumiques). Ces déformations peuvent modifier modérément les propriétés de transport des radionucléides (dans la zone dite perturbée ou EdZ pour Excavation disturbed Zone) voire de façon significative (autour de la zone fracturée et/ou fissurée appelée EDZ pour Excavation Damaged Zone).

L’analyse et la comparaison des différentes typologies de fractures et fissures autour des ouvrages de la station expérimentale de Tournemire fournit de précieux éléments pour modéliser le comportement poro-mécanique [1] de la roche.


Les méthodes de caractérisation de l’endommagement

Différents types de méthodes ont été mis en œuvre pour caractériser l’EDZ autour des différents ouvrages de Tournemire (Matray et al., 2007) : des mesures pétrophysiques pour déterminer les profils de saturation en eau, des mesures de perméabilité au gaz en forage, des relevés géologiques des fractures sur carotte et en forage, et des mesures des vitesses ultrasoniques en forage.


Une synthèse des caractérisations in situ

A partir de ces données, la typologie de l’endommagement a été précisée (voir fig.). Il en ressort que le creusement des ouvrages souterrains a produit une fracturation d’échelle métrique à centimétrique, sans remplissage de calcite, indicateur du caractère récent de ces fractures.

Trois types de fracturation (Rejeb et Cabrera, 2006) sont observés autour des différents ouvrages de Tournemire :  une fracturation parallèle à l’ouvrage et principalement localisée aux pieds droits (cas de l’ancien tunnel), une fracturation quasi-horizontale (orientée selon le plan de stratification de l’argilite) en parois des galeries récentes (1996, 2003 et 2008) liée à la désaturation [2] de la roche argileuse et une fracturation quasi-verticale en radier de certaines galeries proches de failles, attribuée aux contraintes locales.


La modélisation du phénomène d’endommagement

Plusieurs équipes de recherche ont travaillé sur la modélisation de l’endommagement autour des différents ouvrages de Tournemire. La fracturation horizontale observée en paroi des ouvrages récents résulte de périodes hivernales sèches : les contraintes mécaniques couplées au « desséchement » des galeries se traduisent par le développement de contraintes de traction en paroi des ouvrages, conduisant à l’ouverture de fissures selon le plan de plus faible résistance (plan de stratification) [3].

Concernant l’endommagement autour du tunnel, les principales modélisations réalisées concernent d’une part l’étendue des perturbations hydrauliques [4] suite à l’excavation et à la ventilation naturelle, d’autre part la typologie [5] particulière de l’endommagement observé autour de cet ouvrage (cf. figure).

Figure 4 

Figure : Les différentes typologies d’EDZ autour des ouvrages de la station expérimentale
de Tournemire (adapté d’après Rejeb et Cabrera, 2006).

Figure 5 

Figure : Tunnel 1881 : (gauche) évolution des contraintes ; (centre) zone endommagée et désaturée ; (droite) critère de rupture de Mohr-Coulomb (Maßmann, 2009)

Même si les modélisations sont à même de reproduire l’étendue globale de l’EDZ, Il n’en demeure pas moins que le type de fracturation observée (i.e. fractures en compression orientées parallèlement aux parois de l’ouvrage) reste dans le détail encore assez délicat à reproduire. Dans le cadre de l’expertise du site de Bure, cette conclusion a conduit l’IRSN à demander à l’Andra de poursuivre l’effort de recherche sur cette thématique.


Notes :

1- La poro-mécanique est la mécanique des milieux poreux, applicable en particulier à la plupart des roches.
2- Phénomène lié à la variation d’humidité relative dans le stockage, lors du creusement des galeries.
3- Ramambasoa, 2001.
4- p.ex. Mügler et al., 2004 ; Maßmann et al., 2009.
5- p.ex. Maßmann, 2009 ; Millard et al., 2009

Collaborations scientifiques

CEA ; G3S ; Decovalex

Publications scientifiques