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Theses Year : 2022

Modeling and characterization of the time-dependent behavior of the fractured zone around underground storage structures in Callovo-Oxfordian claystone

Modélisation du comportement différé de la zone endommagée par fracturation autour des ouvrages de stockage souterrains dans les argilites

Sophie Jung
  • Function : Author
  • PersonId : 1233445
  • IdRef : 26818514X

Abstract

The French national agency for radioactive waste management (ANDRA) is studying the feasibility of a radioactive waste burial project in the Callovo-Oxfordian clay formation (COx). To carry out its studies, ANDRA has supervised the construction of an underground laboratory (URL) at Bure (Meuse/ Haute Marne). In the framework of the work presented here, we are particularly interested in the convergence measurements of these galleries, as well as the effect of the fracturing zone, induced by the excavation of the tunnels. The instrumentation of the URL tunnels revealed two types of drifts in terms of fractured zone and convergences depending on whether the tunnels are excavated in the direction of the major principal horizontal stress or the minor principal horizontal stress. In the first case, the state of stress in a section is almost isotropic and the horizontal convergence is greater than the vertical convergence, while in the other type of gallery, where the horizontal stress is greater than the vertical stress, the vertical convergence is greater than the horizontal convergence. In the scientific literature, there is a lot of work on modeling these two types of galleries. Many approaches have been considered to try to model the anisotropy of both the convergence rate and the convergence rate measured in these two types of galleries. In the work presented here we have assumed that the long-term behavior is governed by viscous slip on shear fractures present in the fractured zones around the drifts. In a first approach we model the environment in which the galleries are excavated by a continuous homogeneous transverse isotropic material. The model used is present in the Disroc code under the name ANELVIP (Fracsima, 2014). Thus the anisotropy (elastic-plastic and viscous) represents the fracture behavior, and the direction of the isotropy plane corresponds, in a simplified way, to the direction of the main shear fractures present in the fractured zone. The different anisotropy parameters are numerically calibrated on the convergence measurements of the URL galleries. The convergence and convergence rates of the two types of galleries are thus reproduced, keeping the same parameters of the elasto-visco plastic laws, simply by changing the orientation of the isotropy plane between the two models and the anisotropy parameters (Jung et al., 2022). However, the link between the anisotropy parameters and the behavior that a fracture would exhibit is not clear and the physical understanding of the anisotropy parameters is the subject of the second part of this numerical modeling work.We have set up an experimental device to study the creep of a fracture. The purpose of this study is to measure the physical parameters describing the creep along the fracture and then, by homogenization techniques, to introduce the fracture behavior in numerical models. This experimental campaign relies on Digital Image Correlation in order to have a detailed understanding of the fracture behavior. We have linked, by homogenization techniques, the anisotropy parameters of the ANELVIP model to physical parameters of the fractures. A coring campaign around the ANDRA galleries provided us with the statistical data necessary to propose a description of the fractured zone around the two types of URL galleries, in terms of fracture density and orientation. All this allowed us to make new simulations with a medium divided into several zones, first the healthy rock supposed to be isotropic, then the anisotropic fractured zone, itself subdivided into 3 zones of different orientation and fracture density
L’agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (ANDRA) étudie la faisabilité d’un projet d’enfouissement de déchets radioactifs dans la formation argileuse de Callovo-Oxfordien (COx). Pour mener à bien ses études, l’ANDRA a supervisé la construction d’un laboratoire souterrains (URL) à Bure (Meuse/ Haute Marne). Dans le cadre des travaux présentés ici, nous nous sommes plus particulièrement intéressé aux mesures de convergences sur ces galeries, ainsi que de l’effet qu’a la zone de fracturation, induite par l’excavation des tunnels, sur la convergence de ces galeries. L’instrumentation des galeries de l’URL a mis en évidence deux types de galerie en terme de zone fracturée et de convergences en fonction de si les galeries sont excavées dans la direction de la contrainte principale majeure ou de la contrainte principale mineure. Dans le premier cas, l’état de contrainte dans une section est quasiment isotrope et la convergence horizontale est plus grande que la convergence verticale, alors que dans l’autre type de galerie, où la contrainte horizontale est supérieure à la contrainte verticale, c’est la convergence verticale qui est supérieure à la convergence horizontale. On trouve dans la littérature scientifique beaucoup de travaux de modélisation de ces deux types de galerie. Beaucoup d’approches ont été envisagé pour essayer de modéliser l’anisotropie à la fois du taux de convergences et de convergence mesurées dans ces deux types de galeries. Dans les travaux présenté ici nous avons supposé que le comportement à long terme est régi par le glissement visqueux sur les fractures en cisaillement présent dans les zones fracturées autour des galeries. Dans une première approche nous modélisons le milieu dans lequel les galeries sont excavées par un matériaux continu homogène transverse isotrope. Le modèle utilisé est présent dans le code Disroc sous le nom d’ANELVIP (Fracsima, 2014). Ainsi l’anisotropie (élastique-plastique et visqueuse) représente le comportement des fractures, et la direction du plan d’isotropie correspond, de façon simplifiée, à la direction des principales fractures en cisaillement présentes dans la zone fracturée. Les différents paramètres d’anisotropie sont calibrés numériquement sur les mesures de convergence des galeries de l’URL. On parvient ainsi à reproduire les convergence et taux de convergence des deux types de galeries, en conservant les mêmes paramètres des lois élasto-visco plastique, simplement en modifiant l’orientation du plan d’isotropie entre les deux modèles et les paramètres d’anisotropie (Jung et al., 2022). Toutefois le lien entre les paramètres d’anisotropie et le comportement qu’aurait une fracture n’est pas claire et la compréhension physique des paramètres d’anisotropie fait l’objet de la deuxième partie de ce travail de modélisation numérique.Nous avons mis en place un dispositif expérimental pour étudier le fluage d’une fracture. L’objet de cette étude étant de mesurer les paramètres physiques décrivant le glissement le long de la fracture pour ensuite, par des techniques d’homogénéisation, introduire le comportement des fractures dans les modèles numériques. Cette campagne expérimentale s’appuie sur la Corrélation Numérique d’Image afin d’avoir une compréhension détaillée du comportement de la fracture. Nous avons lié, par des techniques d’homogénéisation, les paramètres d’anisotropies du modèle ANELVIP, à des paramètres physiques des fractures. Une campagne de carottage autour des galeries de l’ANDRA nous a fourni les données statistiques nécessaire pour proposer une description de la zone fracturée autour des deux types de galeries de l’URL, en terme de densité et d’orientation des fractures. Tout cela nous a permis de faire de nouvelles simulations avec un milieu découpé en plusieurs zones d’une part la roche saine supposé isotrope, puis la zone fracturée anisotrope, elle-même subdivisée en 3 zones d’orientation et de densité de fractures différentes
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Sophie Jung. Modeling and characterization of the time-dependent behavior of the fractured zone around underground storage structures in Callovo-Oxfordian claystone. Environmental Engineering. Université Gustave Eiffel, 2022. English. ⟨NNT : 2022UEFL2050⟩. ⟨tel-04012685⟩
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