Wright, Hervé (2001) Rôle de la minéralogie, de la texture et de la structure dans la déformation et la rupture des argilités de l'Est. Doctorat Géologie de l'ingénieur, ENPC p.185.

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Résumé

Ce travail a porté sur l'étude au laboratoire d'échantillons d'argilites, prélevés dans la couche d'argilites du Callovo-Oxfordien dans l'est du Bassin de Paris au droit du site du laboratoire souterrain de recherches in-situ. Ils ont été soumis à des sollicitations thermomécaniques en conditions humides avec un dispositif expérimental appelé microcellule CGI permettant de faire une observation visuelle de leur texture et de leur structure au cours des essais. D'autres moyens expérimentaux ont aussi été utilisés: essais pétrophysiques, rayons X, Microscope électronique à balayage. L'ensemble des résultats permettent de faire une distinction entre des échantillons prélevés à 445 m de profondeur, non loin du toit de la couche et des échantillons prélevés à 480 m de profondeur au milieu de la couche. Les argilites sont litées, leur densité est de l'ordre de 2,4. Elles contiennent environ 23% de carbonates, environ 1% de pyrite au toit et 1 à 2% au milieu. Les lames épaisses ont un comportement plutôt fragile. Celles du milieu sont plus déformables et sont plus sensibles à la température que celles du toit. L'initiation des fractures est liée aux hétérogénéités de la texture. L'altération des pyrites confère aux échantillons un comportement évolutif. Un modèle numérique simple (FLAC) permet d'en préciser certains aspects mécaniques. Ces résultats amènent à considérer que l'altération des pyrites doit être prise en compte comme une source supplémentaire d'endommagement susceptible de se développer dans le temps.

Table des Matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE - 1
CHAPITRE 1: GÉNÉRALITÉS - 2
1 INTRODUCTION - 2
2 DÉFORMATION ET RUPTURE DE MATÉRIAUX ROCHEUX EN COMPRESSION - 2
2.1 FACTEURS INFLUENÇANT LES RÉSULTATS DE L'ESSAI DE COMPRESSION SIMPLE - 3
2.1.1 Présentation de l'essai - 3
2.1.2 L’élancement - 5
2.1.3 La distribution des contraintes - 5
2.1.4 La taille de l’éprouvette - 6
2.1.5 La vitesse de chargement - 7
2.1.6 Les caractéristiques de la presse - 7
2.2 FACTEURS INFLUENÇANT LES RÉSULTATS DE L’ESSAI DE COMPRESSION TRIAXIAL - 8
2.2.1 Présentation et analogie avec l'essai de compression simple - 8
2.2.2 Influence de la pression de confinement - 9
2.3 INTRODUCTION DE LA NOTION D'ENDOMMAGEMENT - 10
2.4 RUPTURE DES MATÉRIAUX ROCHEUX - 11
2.4.1 La rupture fragile - 12
2.4.1.1 Structure, texture et modes de propagation - 12
2.4.1.2 Théorie énergétique et approche locale de la rupture - 13
2.4.1.3 Actions de l’eau - 16
2.4.1.4 Actions de la température - 18
2.4.2 La rupture ductile - 19
2.4.3 L’altération superficielle - 21
3 ETUDE DES ARGILITES - 23
3.1 PRÉSENTATION DU LABORATOIRE SOUTERRAIN DE L’ANDRA - 23
3.1.1 Cadre législatif, situation géographique et buts - 23
3.1.2 Le concept d'un stockage - 24
3.2 DESCRIPTION DE L’EST DU BASSIN PARISIEN - 25
3.2.1 Le contexte géologique régional - 25
3.2.2 Les contraintes in-situ - 26
3.2.3 Le contexte hydrogéologique régional - 26
3.3 PÉTROLOGIE ET COMPORTEMENT DES ARGILITES - 29
3.3.1 Minéralogie et structure des argiles - 29
3.3.2 Définitions des argilites - 30
3.3.3 Principaux autres minéraux des roches argileuses - 32
3.3.3.1 Les carbonates - 32
3.3.3.2 Le quartz - 32
3.3.3.3 Les feldspaths - 32
3.3.3.4 Les sulfures de fer - 33
3.3.3.5 Les oxydes et hydroxydes de fer - 33
3.3.4 Comportement hydromécanique des argilites - 34
3.3.4.1 Adsorption - 34
3.3.4.2 Capillarité - 35
3.3.4.3 Osmose - 35
3.3.5 Consolidation thermique des matériaux argileux - 36
3.3.6 Altération des pyrites dans les argilites - 38
3.3.6.1 Processus électrochimiques et bactériens, équations générales - 38
3.3.6.2 Conditions et cinétiques des réactions - 40
3.3.6.3 Minéralogie dérivée de l'altération des pyrites - 40
3.4 PROPRIÉTÉS ET COMPORTEMENT MÉCANIQUE DES ARGILITES DE L’EST - 42
4 CONCLUSION - 48
CHAPITRE 2: DESCRIPTION DE L'ÉTUDE EXPÉRIMENTALE - 49
1 INTRODUCTION - 49
2 LA MICROCELLULE ET SON ENVIRONNEMENT - 49
2.1 PRINCIPE, INTÉRÊT ET DESCRIPTION - 49
2.2 L'ENVIRONNEMENT DE LA MICROCELLULE CGI - 52
2.2.1 Génération et contrôle de la pression - 52
2.2.2 Génération et contrôle de la température et de l’humidité relative - 52
2.2.3 Système d’observation et de prise de vue - 54
2.2.3.1 Définition des échelles d'observation - 54
2.2.3.2 Description du matériel - 55
2.2.4 La mesure des déplacements axiaux - 55
2.2.5 Le traitement et l'analyse des images - 55
2.2.5.1 Notions élémentaires - 55
2.2.5.2 Application - 56
2.3 MODÉLISATION NUMÉRIQUE DE L'ESSAI - 58
2.3.1 Equations idéalisées - 58
2.3.2 Commentaires sur les conditions de l'essai réel - 59
2.3.3 Présentation du programme FLAC - 61
2.3.3.1 Modèle élastique - 61
2.3.3.2 Modèle élastoplastique radoucissant - 62
Compression - 62
Traction - 63
Radoucissement - 64
2.3.3.3 Interfaces - 64
2.3.4 Déformation en milieu élastique - 64
2.3.4.1 Elaboration du modèle - 64
Géométrie - 64
Propriétés mécaniques et chargement - 64
Conditions aux limites - 65
Paramètres des interfaces du premier cas: le chargement uniforme - 65
Paramètres des interfaces du deuxième cas: le confinement parfait - 65
Paramètres des interfaces du troisième cas: le contact direct - 65
2.3.4.2 Contrôle et interprétation des résultats - 66
2.3.4.3 Résultats en milieu élastique - 66
Premier cas: le chargement uniforme - 66
Deuxième cas: le confinement parfait - 67
Troisième cas: le contact direct - 69
2.3.5 Déformation d'un milieu élastoplastique - 69
2.3.5.1 Elaboration du modèle - 69
2.3.5.2 Résultats en milieu élastoplastique radoucissant - 70
3 LES AUTRES MOYENS EXPÉRIMENTAUX - 72
3.1 LE MEB ET LA SONDE EDS - 72
3.1.1 Le principe - 72
3.1.2 La préparation des échantillons - 73
3.2 LA DIFFRACTOMÉTRIE DES RAYONS X - 74
3.2.1 Le principe - 74
3.2.2 La préparation des échantillons - 74
3.3 LE VOLUMÈTRE À MERCURE ET LE PYCNOMÈTRE À HÉLIUM - 74
3.3.1 Principes - 74
3.3.2 Les préparations des échantillons - 75
3.4 LES AUTRES ESSAIS D'IDENTIFICATION - 76
4 LE PROTOCOLE EXPÉRIMENTAL - 76
4.1 LA PRÉPARATION DES LAMES ÉPAISSES - 76
4.2 LE DÉROULEMENT GÉNÉRAL DES ESSAIS - 78
4.3 LES LIMITES DU DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL - 79
4.3.1 Le nombre d'essais - 80
4.3.2 La nature des contraintes - 80
4.3.3 L'incertitude sur la déformation axiale - 80
4.3.4 L'imposition de l'humidité relative - 82
4.3.5 La qualité des photographies - 82
4.3.6 La sensibilité de l'analyse d'images - 82
5 CONCLUSION - 84
CHAPITRE 3: DÉFORMATION MACROSCOPIQUE DES LAMES ÉPAISSES D’ARGILITES DE L’EST - 85
1 INTRODUCTION - 85
2 PRÉSENTATION ET CARACTÉRISATION DES ÉCHANTILLONS - 85
2.1 PRÉSENTATION ÉCHANTILLONS - 85
2.2 APPELLATION DES ÉCHANTILLONS - 86
2.3 CARACTÉRISATION PÉTROPHYSIQUE DES ÉCHANTILLONS À L'ÉTAT INITIAL - 86
2.3.1 Densités et teneurs en eau - 86
2.3.2 Minéralogie - 87
2.3.2.1 Les minéraux argileux - 87
2.3.2.2 Les minéraux non argileux - 88
2.3.3 Structure - 89
2.3.4 Texture - 90
2.3.4.1 Caractérisation de la porosité - 90
2.3.4.2 Vocabulaire: grain, agrégat, glomérule, matrice, fissure, fracture - 91
2.3.4.3 Observation à l'œil nu - 91
2.3.4.4 Observation au macroscope Wild - 92
2.3.4.5 Observation au MEB et analyses à la sonde EDS - 95
3 LES ESSAIS EN MICROCELLULE - 101
3.1 PREMIER GROUPE D'ESSAIS - 101
3.1.1 Chargement - 101
3.1.2 Lame épaisse L1 d'argilite du toit - 102
3.1.2.1 Etat initial de la texture - 102
3.1.2.2 Description de la déformation - 103
3.1.3 Lame épaisse L2 d'argilite du toit - 105
3.1.3.1 Etat initial de la texture - 105
3.1.3.2 Description de la déformation - 105
3.1.4 Lame épaisse L3 d'argilite du milieu - 107
3.1.4.1 Etat initial de la texture - 107
3.1.4.2 Description de la déformation - 107
3.1.5 Modélisation numérique de la déformation de la lame épaisse L - 3109
3.1.5.1 But - 109
3.1.5.2 Propriétés générales du modèle - 109
3.1.5.3 Introduction d'un élément de la texture - 110
Premier cas: l'inclusion dure - 110
Deuxième cas: l'inclusion altérée - 110
3.1.5.4 Résultats - 111
Milieu élastique, inclusion dure - 111
Milieu élastoplastique et inclusion dure - 112
Milieu élastoplastique et inclusion altérée - 113
3.1.5.5 Conclusion - 115
3.2 DEUXIÈME GROUPE D'ESSAIS: LAMES ÉPAISSES L4 ET L5 D'ARGILITES DU TOIT ET DU MILIEU - 116
3.2.1 Chargement - 116
3.2.2 Etats initiaux des textures - 116
3.2.3 Description des déformations - 117
3.3 TROISIÈME GROUPE D'ESSAIS: LAMES ÉPAISSES L6 ET L7 D'ARGILITES DU TOIT ET DU MILIEU - 121
3.3.1 Chargement - 121
3.3.2 Etats initiaux des textures - 121
3.3.3 Description des déformations - 121
3.4 QUATRIÈME GROUPE D'ESSAIS: LAMES ÉPAISSES L8 ET L9 D'ARGILITES DU TOIT ET DU MILIEU - 126
3.4.1 Chargement - 126
3.4.2 Etat initial des textures - 126
3.4.3 Description des déformations - 126
3.5 SYNTHÈSE - 130
3.5.1 Influence de la minéralogie et de la porosité130
3.5.2 Rôle de l'eau - 130
3.5.3 Rôle de la température - 132
3.5.4 fluage et rupture ductile - 133
3.5.5 Fracturation - 134
4 CONCLUSION - 135
CHAPITRE 4: ETUDE DE LA TEXTURE - 137
1 INTRODUCTION - 137
2 RÔLE DE LA MINÉRALOGIE, DE LA TEXTURE ET DE LA STRUCTURE DANS LA DÉFORMATION - 137
2.1 ABSENCE D'INDICES DE RUPTURE DUCTILE - 137
2.2 DESCRIPTION GÉNÉRALE DE LA RUPTURE CATACLASTIQUE - 138
2.2.1 Description mésoscopique – Observations en cours d'essais - 138
2.2.1.1 Les grains et agrégats de minéraux non argileux - 138
Lame épaisse L2138
Lame épaisse L4139
Lame épaisse L7140
2.2.1.2 Les fissures préexistantes: Lame épaisse L - 1141
2.2.1.3 Les plans du litage - 142
Lame épaisse L6142
Lame épaisse L8144
2.2.1.4 L'altération des glomérules pyritisés - 145
Lame épaisse L3145
Lame épaisse L5146
Lame épaisse L7147
2.2.2 Description microscopique – Observations après la rupture - 148
2.2.2.1 Identification des néoformations par diffractométrie des rayons X - 148
2.2.2.2 Evolution de la porosité totale - 151
2.2.2.3 Observations au MEB et analyses à la sonde EDS - 152
2.2.3 Synthèses des observations aux différentes échelles - 157
2.2.3.1 Les lames épaisses d'argilite du toit - 157
2.2.3.2 Les lames épaisses d'argilite du milieu - 159
3 CONCLUSION - 161
CONCLUSION GÉNÉRALE - 162
BIBLIOGRAPHIE - 165
ANNEXE 1: ÉVALUATION SOMMAIRE DU PROBLÈME DE L'ALTÉRATION DES PYRITES AUTOUR DES GALERIES DANS LE SITE DE L'EST - 177
1 GÉNÉRALITÉS ET BIBLIOGRAPHIE - 177
2 EXPÉRIENCES DU GÉNIE CIVIL - 178
2.1 EXEMPLE D'UN TUNNEL - 178
2.2 EXEMPLE D'ENTREPÔTS SOUTERRAINS - 179
2.2.1 Les faits observés - 179
2.2.2 Les solutions proposées - 179
3 LE RETOUR D'EXPÉRIENCES DU LABORATOIRE DU MONT-TERRI - 180
4 EXTRAPOLATION AUX CONDITIONS IN-SITU DANS L'EST - 181
ANNEXE 2: ETUDE D’UNE LAME ÉPAISSE DE GRANITE - 184
1 CONDITIONS DE L'ESSAI - 184
2 RÉSULTATS - 184

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