Etude expérimentale du comportement thermo-hydro-mécanique de l’argilite du Callovo-Oxfordien

Durant les différentes phases du stockage profond des déchets radio-actifs exothermiques depuis l’excavation, l’exploitation et après la fermeture permanente, la roche hôte est soumise à différentes sollicitations mécaniques, hydriques et thermiques couplées. Afin de connaître et de modéliser le comportement à court et long terme des dispositifs de stockage au sein de la formations argileuse du Callovo Oxfordien du site de Bure (Meuse/Haute-Marne – M/H-M) considérée par l’ANDRA comme une roche hôte potentielle en France, une investigation approfondie des paramètres intrinsèques de la roche est nécessaire afin de compléter les données existantes, particulièrement rares pour les aspects thermo-hydro-mécaniques dans le cas des argilites en général et de celle du Callovo-Oxfordien en particulier. Les aspects thermo-hydro-mécaniques à considérer concernent d’une part les effets de la température sur le comportement intrinsèque de l’argilite et d’autre part le phénomène de pressurisation thermique engendré par la faible perméabilité de l’argilite et par le fait que le coefficient de dilatation thermique de l’eau est significativement plus élevé que celui de la phase solide. En diminuant la contrainte effective, la pressurisation thermique est susceptible d’engendrer des instabilités de cisaillement ou liées à la fracturation hydraulique. Une meilleure compréhension de ces aspects permettra de mieux fonder la compréhension et la modélisation des différents phénomènes intervenant dans le champ proche lors de la phase thermique du stockage.

Le site de Meuse\Haute-Marne et la formation du CallovoOxfordien 

Le laboratoire de recherche souterrain de site de Meuse/Haute-Marne   de l’ANDRA situé au Nord-Est de la France est composé des galeries excavées à une profondeur de 445 m et de 490 m sous la surface au milieu d’une couche sub-horizontales (≈1°-1,5°) d’argilites du Callovo-Oxfordien (COx) qui est datée de 155 millions d’années (la limite Jurassique moyen-supérieur). Cette couche de 200m d’épaisseur est située entre deux couches de plusieurs centaines de mètres d’épaisseur de Dogger calcaire et Oxfordien calcaires .

L’argilite du COx se caractérise par une très faible conductivité hydraulique qui limite le transfert de l’eau et par un faible coefficient de diffusion qui retarde considérablement le transport de solutés. L’argilite a également un faible déformabilité et une forte capacité d’absorption des radionucléides ; ces propriétés avantageuses en font une roche-hôte potentielle pour le stockage des déchets radioactifs à haute activité à grande profondeur. A partir de l’analyse globale des propriétés physiques et des propriétés mécaniques de la formation du Callovo Oxfordien à différente profondeur . L’unité supérieure de la formation (A) contient la teneur en carbonate plus élevées, et présente donc des propriétés mécaniques (résistance, module de déformation) supérieures à celles des unités B et C sous jacentes ; l’alternance de bancs plus ou moins carbonatés induit une dispersion des propriétés mécaniques : dans l’unité médiane (C) où les ouvrages de stockage devraient être implantés, la teneur en argiles est maximale, les propriétés mécaniques sont plus homogènes et la déformabilité est plus importante (Su, 2005). L’état de contrainte en place de la formation a été déterminé par différentes méthodes ; analyse des essais par fracturation hydraulique en forages verticaux et inclinés ; analyse des breakouts et des fractures induites par imagerie de forage (« borehole imaging ») ; analyse des convergences en puits.

Phase d’excavation

Pendant la phase d’excavation (de 2017 à 2025 ans) trois sources d’endommagement interviennent : premièrement, l’endommagement dû à la méthode d’excavation et au séchage de la paroi excavée ; deuxièmement les changements mécaniques provoqués par une redistribution des contraintes autour de l’ouverture après l’excavation ; troisièmement les effets de la pression sur la déformation des roches dus à la mise en place du soutènement.

La redistribution des contraintes entraîne des compressions déviatoriques ou des tractions fortement anisotropes, ce qui cause (a) des fracturations de traction et de cisaillement le long des plans de stratification et (b) des fracturations dues à l’extension verticale ou à la rupture en traction dans la roche près des parois latérales. En l’absence d’auto-colmatage, la perméabilité de l’EDZ peut devenir environ 6 fois plus grande que la perméabilité de la roche intacte (Tsang et al., 2005).

Phase d’installation et de stockage des déchets (galeries ouvertes) 

Une fois la galerie construite, l’EDZ évolue encore pendant la phase d’excavation (de 2025 à 2125 ans) sous de nouvelles conditions de contrainte-déformation et d’hygrométrie du fait du séchage engendré par la ventilation des galeries avant le placement des déchets. Pendant cette phase également le soutènement peut être installé et des méthodes d’arrêt de l’évolution de l’EDZ peuvent être réalisées. La ventilation réduit l’humidité de la galerie et déshydrate le champ proche ; la déshydratation de l’argilite en augmente la rigidité alors qu’elle cause également une contraction et des fractions en traction. Cette ventilation augmente la succion, affecte les propriétés de fluage de l’argilite et retarde le l’auto-colmatage. L’entrée d’air dans la roche peut créer une condition d’oxydation qui peut induire les activités chimique et biologique, en particulier par l’oxydation des pyrites.

Phase de fermeture et après fermeture à court terme

Dans cette phase (à partir de 2125 ans) lors de laquelle les bouchons sont placés et les galeries fermées, l’humidité augmente et le champ proche (et l’EDZ) est progressivement progressivement resaturé par l’eau de la roche ; la chaleur dégagée par les déchets a tendance à sécher le champ proche, elle induit de la vapeur qui diffuse et se condense dans les régions plus froides loin de la source de chauffage. Le changement transitoire de teneur en eau, associé à l’interaction entre la resaturation et le gradient de température, a un effet significatif sur le comportement de l’EDZ (rigidité, gonflement,…). Au niveau des bouchons constitués d’un mélange à base de bentonite compactée, l’hydratation engendre une pression sur la zone endommagé qui peut aider à la fermeture des fractures et diminuer la perméabilité de l’EDZ.

En résumé durant cette phase, la roche hôte à proximité des colis est confrontée à l’effet des cycles de resaturation-désaturation et de la température ; l’effet du gonflement dû aux mélanges à base de bentonite compactée se fait sentir au niveau des bouchons. Etant donné que l’argilite peu perméable présente un comportement non-drainé pour un taux rapide de chauffage qui peut engendrer une surpression interstitielle thermique et diminuer la contrainte effective dans la roche, les effets du taux de chauffage doivent être considérés en détail.

Phase après fermeture à long terme 

Durant cette phase, les galeries, et l’EDZ dans la roche hôte sont totalement saturés et la température autour des galeries baisse lentement. Les processus majeurs comprennent le scellement de la roche hôte, les effets chimiques et biologiques à long terme et les effets et la dégradation des colis. Les effets chimiques peuvent induire un changement de pH du fluide interstitiel et produire de gaz (H2) qui peuvent désaturer le système. Cette injection de gaz dans le champ proche peut faire évoluer la perméabilité en ouvrant les fractures fermées. La dégradation du soutènement et la barrière ouvragée peuvent affecter les propriétés mécaniques du système. La procédure de scellement de la roche est une procédure dépendante du temps au cours laquelle l’état de contrainte-déformation et la composition minéralogique changent.

Propriétés de l’argilite du Callovo-Oxfordien (site de Bure) 

Les caractéristiques géologiques et thermo-hydro-mécaniques de l’argilite du COx ont été identifiées par des campagnes expérimentales en laboratoire souterrain et de surface et des analyses numériques accompagnées d’analyses inverses.

Composition minéralogique

La diffraction des rayons X (DRX) permet de caractériser la structure minéralogique d’une roche à partir de l’analyse de poudres obtenues par broyage. La présence des minéraux est également confirmée par l’observation au Microscope éléctronique à balayage (MEB). l’argilite (silteuse) est constituée de trois phases principales : les minéraux argileux, le quartz et la calcite ; les phases secondaires comprennent la dolomite, le feldspath, la pyrite, les oxydes de fer avec moins d’un pour cent de matières organiques. Le pourcentage des minéraux change au long de la profondeur: la calcite et le quartz sont toujours présents avec un pourcentage variable entre 40 et 55%, le quartz est constitué soit de particules de grande taille (>30µm) arrondis d’origine détritique (Su 2005), soit de particules plus petites (<5µm) aux arêtes nettes sans trace d’altération.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1 : CONTEXTE GENERALE ET ETUDE BIBLIOGRAPHIE
1.1. Introduction
1.2. Le site de Meuse\Haute-Marne et la formation du Callovo-Oxfordien
1.3. Différentes phases du stockage des déchets radioactifs
1.3.1. Phase d’excavation
1.3.2. Phase d’installation et de stockage des déchets (galeries ouvertes)
1.3.3. Phase de fermeture et après fermeture à court terme
1.3.4. Phase après fermeture à long terme
1.4. Propriétés de l’argilite du Callovo-Oxfordien (site de Bure)
1.4.1. Composition minéralogique
1.4.2. Microstructure
1.4.3. Propriétés physiques
1.4.4. Propriétés hydrauliques
1.4.5. Propriétés thermiques
1.4.6. Propriétés mécanique
1.4.7. Propriété poromécaniques
1.4.8. Comportement thermo-hydro-mécanique
1.5. Conclusion
CHAPITRE 2 : CADRE THERMO-PORO-MECANIQUE POUR LA DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES D’UN MILIEU POREUX
2.1. Introduction
2.2. Comportement thermo-mécanique
2.2.1. Comportement thermo-poro-élastique
2.2.2. Réponse volumique sous sollicitation thermo-mécanique isotrope
2.2.3. Comportement volumique en condition oedométrique
2.3. Conclusion
CHAPITRE 3 : TECHNIQUES EXPERIMENTALES
3.1. Matériau étudié
3.1.1. Succion initiale et état de saturation des éprouvettes
3.2. Dispositifs Expérimentaux
3.2.1. Oedomètre Haute Pression
3.2.2. Cellule Isotrope à Faible Chemin de Drainage
3.2.3. Cellule Triaxiale à Cylindre Creux
3.3. Phase de saturation
3.3.1. Procédure de saturation
3.3.2. Vérification de la qualité de saturation
CHAPITRE 4 : COMPORTEMENT EN COMPRESSION/GONFLEMENT OEDOMETRIQUE DE L’ARGILITE DU CALLOVO-OXFORDIEN
4.1. Introduction
CHAPITRE 5 : COMPORTEMENT THERMO-HYDRO-MECANIQUE DE L’ARGILITE DU CALLOVO-OXFORDIEN
5.1. Introduction
5.2. Comportement hydro-mécanique à 25°C
5.2.1. Compression isotrope drainée à 25°C, disque plein
5.2.2. Compression isotrope, cylindre creux
5.2.3. Conclusion sur le comportement hydromécanique
5.3. Comportement thermo-hydro-mécanique
5.3.1. Essai EST28522 N°1
5.3.2. Essai EST28520 N°2
5.3.3. Comparaison de deux essais EST28522 N°1 et EST28520 N°2
5.3.4. Pressurisation thermique de l’argilite du Callovo-Oxfordien (Article)
5.3.5. Conclusion sur le comportement thermo-hydro-mécanique
CONCLUSION GENERALE

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