Etude du comportement anisotrope de l’argile de Boom

Stockage des déchets radioactifs

      L’utilisation de matières radioactives produit inévitablement des déchets radioactifs. Ces déchets proviennent essentiellement des centrales nucléaires, des usines de traitement des combustibles usés et des installations nucléaires civiles et militaires. La Figure 1-1 montre l’estimation de la répartition en volume par secteur des déchets radioactifs existant fin 2010 en France. Ces déchets émettent de la radioactivité et présentent des risques pour l’homme et l’environnement. Ainsi, ils doivent être gérés de manière spécifique en fonction de leur niveau de radioactivité et de leur durée de vie. Les déchets radioactifs sont variés et leur classification repose sur deux paramètres : niveau de radioactivité et période radioactive. En fonction du mode de gestion, l’ANDRA (Agence Nationale pour la gestion des déchets radioactifs) a classifié les déchets radioactifs en quatre catégories (Figure 1-2). Les déchets de haute activité et à vie longue (HAVL) et de moyenne activité et à vie longue (MAVL) émettent pendant des durées pluri-séculaires ou pluri-millénaires des rayonnements ionisants. Le mode de gestion de ces déchets doit donc permettre de les isoler de la biosphère pendant la durée nécessaire à la décroissance de leur radioactivité. Un des modes de gestion proposés dans certains pays est le stockage en couche géologique profonde. Différentes formations géologiques hôtes sont actuellement { l’étude, ou en utilisation, dans le monde : tuf, granite, sel, argile raide, argilite, roche sédimentaire, par exemple (Figure 1-3). Le comportement de ces différents matériaux vis-à-vis des contraintes liées au stockage (température et présence d’eau notamment) conditionne la nature des barrières à mettre en place. Le stockage géologique est conçu pour retarder le relâchement et la migration des radioéléments sur une échelle de temps compatible avec leur période de décroissance. Les déchets sont isolés dans une couche stable, à grande profondeur et dans une infrastructure particulière. En réalité, une série de barrières est placée entre la biosphère et les déchets : une barrière naturelle (par exemple : la couche d’argile profonde) et plusieurs barrières ouvragées. Ces dernières se composent de suremballages en plusieurs couches étanches, de toutes sortes de matériaux de remblayage et de scellement et des galeries d’enfouissement. Toutes ces barrières contribuent { la sûreté par : (i) isolement des déchets radioactifs (l’argile ou, plus généralement, la roche hôte est la barrière principale pour la sûreté à long terme), (ii) confinement technique des déchets radioactifs, (iii) dispersion différée et étalée des radionucléides. La formation hôte doit être suffisamment profonde, épaisse et géologiquement stable à très long terme. En réalité, l’argile profonde est idéale pour mettre les déchets radioactifs en dépôt final. Premièrement, elle est considérée pratiquement imperméable et l’eau n’y circule presque pas ; les matériaux de remblayage et de scellement de l’infrastructure de dépôt retardent l’arrivée d’eau. Deuxièmement, lorsque les radionucléides entrent en contact avec l’argile, ils se redistribuent entre les particules solides et l’eau interstitielle dans l’argile. Certains radionucléides s’accrochent { l’argile, et le reste se dissout dans l’eau. Comme la perméabilité dans l’argile est faible, il faudra donc énormément de temps pour que les radionucléides dissous ne s’échappent de la couche d’argile (Figure 1-4).

Exigences spécifiques pour l’argile de Boom

     Pour un dépôt final dans la formation de l’argile de Boom, toute installation de dépôt doit vérifier au moins les deux conditions essentielles suivantes :
 Elle doit être le moins étendue possible dans sa dimension verticale et se situer autant que possible dans le plan médian de la formation hôte, de manière { maximiser l’épaisseur d’argile qui peut servir de barrière.
 Elle doit aussi perturber au minimum les propriétés de l’argile de Boom, de manière { ne pas nuire aux performances globales du système.
Les perturbations thermiques, chimiques, mécaniques ou encore hydrauliques induites dans la formation hôte par la présence d’un dépôt ont deux origines principales. Premièrement, les déchets mis en dépôt, dont certains émettent de grandes quantités de chaleur et de rayonnement, peuvent modifier les caractéristiques du champ proche. Deuxièmement, la construction du dépôt elle-même peut induire des perturbations mécaniques et géochimiques. La minimisation de ces perturbations nécessite donc une bonne compréhension de la compatibilité entre les différents matériaux mis en place et des différents phénomènes impliqués, particulièrement pour les phénomènes qui ont un impact sur les propriétés de migration de l’argile.

Etalonnages en mode de contact direct

     Les étalonnages en mode de contact direct pour les trois jeux S3P3, S4P4 et SAPA sont abordés dans cette partie. Les deux courbes pour l’émetteur et le récepteur doivent théoriquement coïncider l’une avec l’autre (même point de première flexion, même période). Mais { part l’endommagement des éléments piézoélectriques (due aux états de fortes contraintes appliquées), il y a plusieurs autres facteurs qui pourraient influencer cet étalonnage. Par exemple : l’alignement des deux lames des éléments piézoélectriques (sans échantillon comme un système de support, l’alignement des deux lames devient moins facile), l’épaisseur de la colle couvrant les lames des éléments piézoélectriques, etc. Bien qu’il existe quelques sources d’erreur possibles, l’étalonnage en mode de contact direct est nécessaire d’être effectué afin d’évaluer de façon globale la performance des éléments piézoélectriques . L’ancien jeu S3P3 a été étalonné en mode de contact direct par trois opérateurs différents. Les signaux d’onde de cisaillement { la période T = 0,1 ms en choisissant trois opérateurs différents sont montrés sur la Figure 2-16, la Figure 2-17, et la Figure 2-18). En réalité, pour le jeu S3P3, il y a un petit décalage (retard d’environ de 0,012 ms dans le système électrique) au niveau de la première flexion (vers le haut) qui est presque constant pour tous les trois opérateurs différents. La forme d’onde du récepteur n’est pas parfaitement nette avec des petites « bosses ». En revanche, la période de réponse est acceptable.

Comportement mécanique en cellule oedométrique modifiée

     Trois essais oedométriques sont effectués avec la cellule modifiée sous presse (vitesse de déplacement imposée { 0,001 mm/min) sur deux types d’éprouvettes :  = 0° (Oedo11),  = 90° (Oedo12, Oedo13). Notons que la position du capteur par rapport au plan du litage dans l’essai Oedo12 et Oedo13 est différente (voir Figure 2-37). Les résultats de ces essais sont montrés sur la Figure 4-20 et la Figure 4-21. Sur la Figure 4-20, les évolutions de la contrainte effective axiale (verticale) ’v et radiale (horizontale) ’h au cours de l’essai (après la saturation) des trois essais sont montrées. Le point commun de ces évolutions est que : au début de l’essai, ’h est toujours plus grande que ’v ; ensuite, suite à la vitesse de déplacement imposée, ’v augmente rapidement et devient plus grande que ’h. Dans le plan (p’ – q) (Figure 4-21), comme le cas de l’essai oedométrique avec la contrainte contrôlée (chargement par paliers), on voit clairement le changement de l’état (chemin de contrainte) de chaque éprouvette en raison de la re-compression initiale à la contrainte in-situ (2,4 MPa) et de la saturation. Les états des éprouvettes Oedo11 et Oedo13 juste après la resaturation sont très proches et se trouvent près de la surface de charge initiale défini par le modèle de Hong (2013). Quant { l’éprouvette Oedo12, comme la surface du capteur de pression latérale est parallèle au litage, la pression latérale mesurée est plus grande que celle mesurée dans l’essai Oedo13, bien que le type d’éprouvettes soit le même dans ces deux essais. En conséquence, cette manière d’installation du capteur a engendré un état de contrainte de l’éprouvette Oedo12 qui sort de la surface de charge initiale. Les chemins de contrainte des trois éprouvettes ont une forme commune : le déviateur augmente d’abord vite et puis, { partir d’une certaine contrainte p’, la relation (p’ – q) devient linéaire. Bien que les points de commencement de la consolidation après la saturation des essais Oedo12 et Oedo13 se trouvent assez loin, la courbe de l’essai Oedo12 a tendance { s’approcher de celle de l’essai Oedo13 quand p’ augmente. De plus, on observe l’effet de l’orientation de l’éprouvette sur le chemin de contrainte après la re-saturation. En effet, pour la partie linéaire de la courbe (p’ – q), l’éprouvette parallèle au litage montre une pente plus importante que celle perpendiculaire au litage. Ce phénomène est déj{ observé dans l’essai oedométrique { contrainte contrôlée. En revanche, l’éprouvette perpendiculaire au litage montre un court palier horizontal (q constant) de plus entre les paliers non linéaire et linéaire. Dans le plan (a – q) et (p’ – h’ /v’), l’effet de l’orientation de l’éprouvette est également identifié. Néamoins, cet effet n’est pas net dans le plan (p’ – v). Dans le plan et (p’ – (h’ /v’), quand p’ augmente entre 0,1 MPa à 0,5 MPa (re-consolidation), la pression latérale h augmente très vite. Dans cette phase, le raport h’ /v’ atteit 3 pour l’éprouvette Oedo11 et Oedo12 ; et 4 pour l’éprouvette Oedo13. Quand p’ augmente entre 0,5 MPa à 5 MPa (phase de re-consolidation et de resaturation), le rapport h’ /v’ varie enfonction de p’. Une fois la re-saturation est finie, et la consolidation commence, l’évolution de ce rapport devient plus claire. Les valeurs h’ /v’ des éprouvettes Oedo12 et Oedo13 diminuent rapidement quand p’ augmente entre 5 MPa et 10 MPa, puis s’approchent d’un palier commun vers la fin (h’ /v’  0,66). Quant { l’éprouvette Oedo11, quand p’ augmente entre 5 MPa et 10 MPa, le rapport h’ /v’ diminue rapidement jusqu’{ 0,75 puis augmente légèrement à 0,78. Cette petite augmentation crée un petit « creux » sur la courbe de h’ /v’, qui correspond au palier horizontal (q constant) dans les plans (p’ – q) et (a – q).

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 Etude bibliographique
1.1. Contexte général
1.1.1. Stockage des déchets radioactifs
1.1.2. Laboratoires de recherche souterrains (URLs)
1.1.3. Exigences spécifiques pour l’argile de Boom
1.2. Vue globale des argiles raides
1.2.1. Argile de Boom
1.2.2. Comparaison des caractéristiques des argiles raides
1.3. Comportement anisotrope des argiles raides et argilites
1.3.1. Notion de l’anisotropie
1.3.2. Elasticité linéaire anisotrope
1.3.3. Détermination des paramètres d’élasticité isotrope transversale
1.3.4. Anisotropie de la propagation d’ondes
1.3.5. Anisotropie de la conductivité thermique
1.3.6. Anisotropie de la conductivité hydraulique
1.3.7. Anisotropie du comportement au gonflement
1.3.8. Anisotropie du comportement déviatorique
1.4. Lois de comportement pour les argiles et argilites
1.4.1. Modèle Cam-Clay originel
1.4.2. Modèle Cam-Clay modifié
1.4.3. Modèle S-CLAY-1
1.4.4. Modèle de Sultan et al. (2010)
1.4.5. Modèle d’Oka et al. (2002)
1.4.6. Modèle de Pietruszczak (2002)
1.4.7. Modèle de Salager et al. (2012)
1.5. Conclusions
Chapitre 2 Matériaux et techniques expérimentales
2.1. Introduction
2.2. Caractérisation initiale et préparation d’échantillons
2.2.1. Caractérisation initiale
2.2.2. Préparation d’échantillons
2.3. Re-saturation d’échantillons
2.3.1. Eau synthétique
2.3.2. Condition de drainage
2.3.3. Simulation de condition de drainage
2.4. Observations microstructurales
2.4.1. Objectifs
2.4.2. Principes et matériels
2.4.3. Procédure d’essai
2.4.4. Programme d’essais
2.5. Mesure de la conductivité thermique
2.5.1. Objectifs
2.5.2. Principes et matériels
2.5.3. Procédure d’essais
2.5.4. Programme d’essais
2.6. Mesure du G0 en utilisant les éléments piézoélectriques
2.6.1. Objectifs
2.6.2. Principe et matériels
2.6.3. Etalonnages des éléments piézoélectriques
2.6.4. Procédure d’essais
2.6.5. Programme d’essai
2.7. Essai de gonflement
2.7.1. Objectif
2.7.2. Principes et matériels
2.7.3. Procédure d’essai
2.7.4. Programme d’essai
2.8. Essais oedométriques
2.8.1. Objectif
2.8.2. Principe et matériels
2.8.3. Procédure d’essai
2.8.4. Programme d’essais
2.9. Essai triaxial en condition K0
2.9.1. Objectif
2.9.2. Principe et matériels
2.9.3. Procédure d’essai
2.9.4. Programme d’essais
2.10. Essai triaxial
2.10.1. Objectifs
2.10.2. Principe et matériels
2.10.3. Procédure d’essai
2.10.4. Programme d’essai
2.11. Conclusions
Chapitre 3 : Caractérisation de l’EDZ par essais au laboratoire
3.1. Introduction
3.2. Résultats expérimentaux
3.2.1. Conductivité thermique
3.2.2. Module de cisaillement
3.2.3. Observations microstructurales
3.3. Prédiction des propriétés thermo-hydro-mécaniques
3.3.1. Variable d’endommagement
3.3.2. Détermination des paramètres
3.3.3. Application du modèle d’endommagement { la propriété hydraulique
3.4. Discussion
3.5. Conclusion
Chapitre 4 : Comportement hydro-mécanique en condition K0
4.1. Introduction
4.2. Gonflement lors de la re-saturation
4.2.1. Pression de gonflement déterminée à partir de la courbe (v – logv)
4.2.2. Pression de gonflement mesurée par le capteur de pression
4.2.3. Influence du gonflement sur la microstructure
4.3. Comportement mécanique après la re-saturation
4.3.1. Méthode « contrainte contrôlée » en cellule oedométrique
4.3.2. Méthode « déplacement contrôlé »
4.3.3. Simulation par la méthode des éléments finis
4.4. Discussions
4.4.1. Influence de la méthode de détermination de s
4.4.2. Anisotropie du gonflement à différentes conditions
4.4.3. Comportement en condition K0 après la re-saturation
4.5. Conclusions
Chapitre 5 : Comportement hydro-mécanique en condition triaxiale
5.1. Introduction
5.2. Re-saturation sous contrainte isotrope
5.2.1. Déformations locales
5.2.2. Vitesse de propagation d’ondes Vs et Vp
5.2.3. Comparaison entre les résultats théoriques et les mesures expérimentales
5.2.4. Paramètres élastiques à très petites déformations
5.3. Cisaillement
5.3.1. Résultats directs
5.3.2. Interprétation des résultats
5.3.3. Vitesse de propagation d’ondes Vs et Vp
5.3.4. Paramètres élastiques à petites déformations
5.4. Bande de cisaillement
5.5. Discussions
5.5.1. Re-saturation sous contrainte isotrope
5.5.2. Cisaillement
5.6. Conclusions
Chapitre 6 : Modélisation du comportement anisotrope
6.1. Introduction
6.2. Modèle anisotrope
6.2.1. Elasticité anisotrope
6.2.2. Plasticité anisotrope
6.2.3. Identification des paramètres anisotropes
6.3. Calage des paramètres anisotropes
6.4. Simulation d’essais avec le modèle anisotrope
6.5. Conclusion
Conclusion générale

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