Modélisation de L'endommagement Et de la Fissuration Des Roches Argileuses Sous Sollicitations Thermo-hydromécaniques Avec la Méthode de Champ de Phase PDF Download
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Author: Zhan Yu
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In the general framework of research projects related to geological disposal of radioactive waste, shale gas production and acid gas sequestration, it is necessary to investigate damage and cracking in clayey rocks under coupled thermo-hydro-mechanical loads (THM).In the first part of the thesis, a new phase-field method is developed for rock-like materials. Two crack fields are introduced in order to describe both tensile and shear cracks. A proper thermodynamics framework is proposed to describe the evolution of two crack fields. The plastic deformation of rocks is also taken into account. An efficient numerical algorithm is adopted for the coupling between the crack fields and displacement field. This algorithm is then set up in the framework of the finite element method. The efficiency of the new phase-field method is illustrated through examples showing tensile and shear cracks.In the second part, the phase-field method is extended to problems with thermo-hydro-mechanical coupling. To this end, a specific procedure is developed for the coupling between the crack fields, mechanical field and hydraulic and thermal fields. The effects of THM coupling on cracking mechanisms are investigated.The last part is devoted to two representative examples of application. The first one is relevant to the study of excavation induced damage and cracking around an underground gallery. The second one is related to the thermally induced cracking. Both examples are based on in situ experiments performed in the underground research laboratory of Andra.
Author: Zhan Yu
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In the general framework of research projects related to geological disposal of radioactive waste, shale gas production and acid gas sequestration, it is necessary to investigate damage and cracking in clayey rocks under coupled thermo-hydro-mechanical loads (THM).In the first part of the thesis, a new phase-field method is developed for rock-like materials. Two crack fields are introduced in order to describe both tensile and shear cracks. A proper thermodynamics framework is proposed to describe the evolution of two crack fields. The plastic deformation of rocks is also taken into account. An efficient numerical algorithm is adopted for the coupling between the crack fields and displacement field. This algorithm is then set up in the framework of the finite element method. The efficiency of the new phase-field method is illustrated through examples showing tensile and shear cracks.In the second part, the phase-field method is extended to problems with thermo-hydro-mechanical coupling. To this end, a specific procedure is developed for the coupling between the crack fields, mechanical field and hydraulic and thermal fields. The effects of THM coupling on cracking mechanisms are investigated.The last part is devoted to two representative examples of application. The first one is relevant to the study of excavation induced damage and cracking around an underground gallery. The second one is related to the thermally induced cracking. Both examples are based on in situ experiments performed in the underground research laboratory of Andra.
Author: Jérémy Frey
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Languages : fr
Pages : 198
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Le creusement des ouvrages de stockage souterrains, créé une zone endommagée de la roche à proximité de la paroi pouvant ainsi conduire à une modification des propriétés de transfert. Pour comprendre ce phénomène nous modélisons la microstructure hétérogène des matériaux par un volume élémentaire sur lequel une cinématique résultant du problème macroscopique est appliquée. Nous déduisons la réponse macroscopique d'une analyse microscopique de manière numérique par une méthode dite des éléments finis aux carrés (FE2). Des simulations numériques effectuées sur des microstructures 2D composées de grains (hyper)élastiques, d'interfaces cohésives et d'une circulation fluide inter-granulaire, nous ont montré le lien entre l'évolution des propriétés mécaniques et hydrauliques du mélange et l'endommagement sous sollicitations hydromécaniques.
Author: Van-Linh Nguyen
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L'effet de serre lié à l'émission de CO2 a conduit à des projets de stockage de ce gaz dans des formations réservoirs. Ces formations peuvent être traversées de failles et l'examen de la sûreté du stockage nécessite alors l'étude du risque de réactivation et de propagation de ces failles. Cette étude passe par des investigations approfondies portant sur des conditions de propagation des fractures sous sollicitations hydromécaniques. Cette thèse a pour objectif l'étude théorique et numérique de ces conditions ainsi que la simulation numérique de la propagation. La modélisation numérique des processus thermo-hydro-mécaniques dans les milieux poreux fracturés par la méthode des éléments finis (MEF) permet de simuler des phénomènes complexes et non linéaires. Les difficultés liées à l'intégration des équations d'échanges de fluide entre la fracture et la matrice environnante avec la MEF ont été résolues dans des travaux récents et nos simulations numériques ont pu être basées sur cette méthode. Dans un premier temps, nous avons modélisé l'écoulement transitoire dans et au voisinage d'une fracture soumise à une injection de fluide et nous avons étudié le facteur d'intensité des contraintes (FIC) à l'extrémité de la fracture dans le cadre de la théorie de la poroélasticité linéaire. Si les conditions d'injection sont maintenues constantes et la fracture n'évolue pas, l'écoulement tend vers un état stationnaire. Le FIC évolue au cours de la phase transitoire pour atteindre une valeur limite dans l'état stationnaire. La modélisation de l'écoulement transitoire est très coûteuse en temps de calcul et il est intéressant de trouver un moyen d'exploiter au mieux les résultats d'un calcul en état stationnaire. L'analyse théorique et les résultats des simulations numériques montrent en effet que le FIC calculé à l'état stationnaire peut fournir certaines bornes pour la propagation des fractures sous l'écoulement transitoire. Dans le cadre de la poroélasticité linéaire et de l'écoulement de Poiseuille dans les fractures, des expressions semi-analytiques pour le FIC à l'état d'écoulement stationnaire ont pu être dérivées. Pour des géométries simples, ces formules approximatives se révèlent efficaces pour discuter des conditions de propagation des fractures pour des cas typiques et simples de géométrie de la fracture et des conditions d'injection de fluide. Dans un deuxième temps, un Modèle de Fracture Cohésive (MFC) a été utilisé pour modéliser la propagation de fracture sur la base de l'endommagent. Ce modèle, basé sur un critère de rupture de Mohr-Coulomb modifié, permet de simuler l'endommagement de l'interface à la fois sous sollicitations en mode I et II. Une relation d'équivalence entre les paramètres de ce modèle et du modèle de Mécanique Linéaire de la Rupture (MLR) a été établie sur la base de la longueur de propagation de fracture sous des charges similaires. Cette relation permet l'extension de l'équivalence théorique entre MLR et MFC établie pour les matériaux fragiles et sur la base de critères énergétiques, à des matériaux quasi-fragiles et ductiles. On a d'ailleurs montré que le MFC permet de simuler certains phénomènes spécifiques tels qu'instabilités de propagation en mode I et II et le branchement de la fracture en mode II. Enfin, la prise en compte de la pression de fluide dans la fracture a permis d'obtenir un modèle de MFC couplé avec l'hydraulique qui a été implémenté dans un code numérique aux éléments finis en vue d'étudier la propagation des fractures sous sollicitations hydromécaniques. Des simulations numériques ont été réalisées afin d'étudier le risque de réactivation et de propagation des failles dans le contexte de stockage du CO2 en particulier dans une configuration de formation réservoir du type Bassin de Paris.
Author: Moustafa Masri
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Pages : 304
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Dans ce travail de recherche, on aborde une étude expérimentale et numérique du comportement mécanique des roches argileuses soumis à des chargements mécaniques et à des sollicitations thermiques. L’esprit de cette étude provient de la pratique de l’exploitation des huiles lourdes avec la technique d’injection de vapeur à haute température où les roches de réservoir sont soumises à des sollicitations thermiques et hydromécaniques couplées. L’enjeu est d’étudier le comportement hydromécanique de ces matériaux soumis à des variations importantes de température afin d’évaluer la stabilité mécanique des réservoirs. L’étude expérimentale contient des modifications d'une cellule triaxiale autonome et auto compensé à haute température (250 C°) ainsi que le système de pilotage, le système de mesure et d’étalonnage de déformations. Ces modifications sont importantes pour effectuer des tests hydrostatiques, uniaxiaux et triaxiaux servaient à obtenir une base des données expérimentales, cette base caractérise l’effet thermique sur le comportement mécanique des roches argileuse.Le cadre général de la modélisation est d’abord proposé pour décrire le comportement mécanique d’argilite dans le cas isotrope. Après une analyse détaillée des données expérimentales, un modèle spécifique élastoplastique couplé à l’endommagement est élaboré pour décrire le comportement mécanique. Ensuite l’effet de la température est pris en compte. Les comparaisons entre les simulations numériques et les données expérimentales ont montré la capacité du modèle proposé pour la description du couplage hydromécanique et thermique. Afin de décrire le comportement des roches anisotrope, nous avons proposé une extension du modèle en y introduisant une formulation de tenseur de fabrique Cette formulation est exprimée en termes d'invariants couplé aux tenseurs de contraintes et d’orientation de chargement. Des essais en laboratoire sous différents chemins de sollicitations ont été modélisés, le modèle proposé semble décrire correctement les principales réponses mécaniques des matériaux.
Author: Vincent Lefort
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Cette thèse vise à développer un modèle numérique de type lattice permettant de simuler la propagation de fissures sous l'effet d'une injection de fluide dans un milieu hétérogène quasi-fragile. Si la finalité de l'étude concerne l'étude de matrices rocheuses naturelles, dans les différentes parties du manuscrit détaillée ci-après et dans un souci de validation, le modèle a été régulièrement confronté à des résultats expérimentaux obtenus sur des matériaux cimentaires similaires à des roches naturelles en termes de comportements mécaniques et de transport mais présentant des hétérogénéités mieux contrôlées. La première partie du document est dédiée à l'étude du processus de fissuration caractéristique des matériaux quasi-fragiles présentant une zone d'élaboration. Un outil d'analyse statistique basé sur les fonctions de Ripley et permettant d'extraire une longueur caractéristique à partir d'un nuage de points -- lieux d'un endommagement mécanique -- et présenté. Il est ensuite utilisé dans le cadre d'essais numériques et expérimentaux de rupture par flexion 3 points sur des éprouvettes de bétons. Les résultats montrent que le modèle numérique de type lattice est capable de rendre compte à la fois du processus global de fissuration mais également du processus local de fissuration. Par ailleurs, cet outil permet également de montrer l'influence du mode de sollicitation sur le développement de l'endommagement au sein d'une structure. La deuxième partie du document présente une loi de comportement élasto-plastique endommageable représentative du comportement de joints. L'originalité du modèle réside dans le couplage entre l'endommagement sous sollicitation normale et la plasticité sous sollicitation tangentielle. Cette nouvelle loi permet de reproduire correctement des résultats d'essais de cisaillement indirects effectués sur des joints de plâtre séparant des épontes en mortier alors qu'un modèle de Mohr-Coulomb classique ne le permet pas. La troisième partie est dédiée à l'introduction d'un couplage hydromécanique complet dans le modèle lattice utilisé précédemment. Le couplage hydromécanique est introduit au travers du comportement poromécanique du milieu basé sur une description mécanique-hydraulique duale et intrinsèque du modèle lattice. La contrainte totale fait le lien entre la contrainte mécanique du lattice mécanique et la pression de pore du lattice hydraulique au travers du coefficient du Biot du milieu alors que la perméabilité locale pilotant le gradient de pression hydraulique est indexée sur les ouvertures locales de fissures estimées au travers du lattice mécanique. Les résultats obtenus par ce modèle hydro-mécanique dual ont été confrontés à des solutions analytiques données dans la littérature pour des fissures de type "bi-wings", et il est montré que les deux approches sont cohérentes pour une fissure parfaitement rectiligne. Après les différentes étapes de validation du modèle présentées dans les parties précédentes, la quatrième et dernière partie est dédiée à la simulation numérique du couplage hydromécanique sous-jacent à la propagation libre d'une fissure propageant sous l'effet d'une injection de fluide et de son interaction avec un joint rocheux naturel. Les trajets de fissuration, non maillés a priori, et les profils de pression au sein de la matrice poreuse sont obtenus et comparés en fonction de l'inclinaison du joint rocheux. Par ailleurs, le traitement statistique concernant les lieux d'endommagement développé en première partie est repris ici afin de caractériser l'évolution des longueurs de corrélation entre point s'endommageant au cours de la propagation de la fissure et de son interaction avec le joint. Il est montré que le modèle hydromécanique lattice permet de représenter différent mécanismes de ré-initiation de fissure à partir d'un joint suivant son inclinaison.
Author: Jabrane Khalil Hamdi
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L'étude du comportement des roches nécessite de comprendre leur réponse sous diverses sollicitations. L'étude énergétique de l'endommagement des roches est indispensable pour prédire les phénomènes dynamiques. Ces phénomènes sont dus au développement de fissures dans les roches soumises à des fortes contraintes initiales et induites. La fissuration est une forme de dissipation d'énergie qui permet de rétablir l'équilibre du milieu. L'objectif de la thèse est de modéliser la fissuration dans les milieux rocheux dans la perspective d'étudier le comportement des ouvrages souterrains à grande profondeur. Le développement des modèles capables de représenter la fissuration, la coalescence des fissures et leur interaction avec des fractures préexistantes est indispensable. De la littérature, il ressort deux principales approches théoriques et numériques de modélisation de la fissuration : continue et discrète. Une synthèse critique de ces approches nous a conduit à retenir l'approche discrète et plus particulièrement le code Yade dans le cadre de cette thèse. Ce code permet de simuler explicitement la fissuration avec ou sans fractures pré-existantes. Des développements ont été effectués afin de tenir compte des différentes formes d'énergie intervenant dans le comportement des roches soumises à des sollicitations. En particulier une corrélation entre l'énergie de fissuration numérique et l'activité microsismique observée sur des échantillons en laboratoire en compression. Les différentes composantes énergétiques explicitées puis implémentées dans Yade sont : le travail externe, l'énergie potentielle, l'énergie élastique, l'énergie de frottement, l'énergie de fissuration, l'énergie cinétique et l'énergie dissipée en amortissement. La validation de l'approche énergétique a été réalisée grâce à la simulation des essais de laboratoire. L'évolution des différentes composantes énergétiques a permis de vérifier que le bilan des énergies est correctement évalué. Le bilan énergétique a également été vérifié à échelle de structures en simulant l'excavation souterraine d'un Mine-by Experiment (URL Manitoba). L'extension de la zone endommagée induite par l'excavation prédite numériquement a été comparée à celle observée in-situ autour du Mine-by Experiment. Il a été constaté que l'endommagement prédit est similaire à celui observé dans les directions des contraintes initiales mineure et majeure. Par ailleurs la formulation énergétique permet d'étudier numériquement les processus de fissuration des roches. Wassermann (2006) a réalisé des essais de compression uniaxiale et triaxiale sur des échantillons de minerai de fer lorrain. Nous avons modélisé ces essais. La comparaison qualitative des événements acoustiques et des énergies de fissuration issues respectivement des essais et des simulations numériques a montré des tendances similaires. Par contre, la comparaison d'un point de vue quantitatif a montré que le nombre des événements acoustiques numériques est plus important que celui déterminé expérimentalement. L'énergie dissipée par fissuration numérique est également plus importante que celle obtenue sur les essais. Cette différence est expliquée par le fait que les capteurs du dispositif expérimental ne détectent pas tous les événements acoustiques. Les résultats obtenus pourront permettre de mieux comprendre les cinétiques des phénomènes dynamiques dans les ouvrages souterrains profonds. Une autre application a consisté à modéliser un pilier de mine de fer de Joeuf (Lorraine). Le modèle numérique montre deux modes de fissuration dans le pilier : (a) écaillage en peau de pilier, (b) deux bandes de rupture s'initiant du mur et toit du pilier pour se propager vers le cœur du pilier. Ce travail offre de bonnes perspectives pour mieux comprendre la propagation de la fissuration à plus grande échelle mais aussi de progresser dans la recherche de corrélation entre la géomécanique et la géophysique.
Author: Duc Phi Do
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Pages : 186
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Book Description
Le présent travail est consacré à l'étude du comportement thermo-hydro-mécanique linéaire et non linéaire des roches poreuses de type argilites par approche de changement d'échelle. A partir des observations microstructurales de ces matériaux, un modèle conceptuel a été proposé. Dans ce modèle, le volume élémentaire représentatif du milieu hétérogène est composé d'une phase matricielle argileuse contenant des inclusions sphériques de minéraux de quartz et de calcite et des inclusions ellipsoïdales aplaties représentant l'espace poreux. Dans un premier temps, le procédé de la modélisation a été exploité par la détermination des propriétés effectives isotropes et isotrope transverses des argilites : la conductivité thermique et les propriétés thermo-hydro-mécanique croisées. En outre, de nombreuses études numériques ont mis en évidence l'influence de la morphologie de l'espace poreux, de la minéralogie et des schémas d'estimation sur les résultats prédictifs. Dans un deuxième temps, nous avons modélisé le comportement mécanique non linéaire (élasto-plastique, élasto-viscoplastique) des roches argileuses. La comparaison entre les simulations numériques et les résultats expérimentaux disponibles (essai de compression triaxiale, essai de fluage) a confirmé la validation du modèle développé
Author: Frédéric Valès
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Languages : fr
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Book Description
Author: Truong-Giang Nguyen
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Languages : fr
Pages : 116
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Book Description
Le béton est un des matériaux de construction les plus répandus dans le monde. Cependant, dans de nombreux secteurs industriels, il est de plus en plus courant d'étudier les marges de sécurité d'un ouvrage vis à vis de sollicitations. Il devient important de prédire le mode de ruine de l'ouvrage. De nombreux travaux ont déjà été réalisés dans le monde sur ce sujet, conduisant à des modèles opérationnels dans des codes de calcul par éléments finis. Néanmoins, des difficultés subsistent, liées principalement à la fissuration du béton. Ces difficultés se traduisent par des problèmes ouverts concernant la localisation, l'initiation et la propagation des fissures. Le travail de thèse explore deux possibilités d'amélioration des méthodes de simulation numérique de propagation des fissures. La première possibilité d'amélioration concerne l'utilisation de la méthode des éléments finis étendus, XFEM (eXtended Finite Element Method). Une modélisation du comportement mécanique de fissure est introduite et conduit à une description de la propagation de fissure d'un élément à un autre. La deuxième possibilité est basée sur la mécanique de l'endommagement. Dans le cadre de la modélisation de l'endommagement de type standard généralisé, le phénomène de localisation a été étudié numériquement pour des comportements divers : endommagement visqueux ou fragile. Ces comportements sont décrits dans le même esprit que les lois de la visco-élasticité ou de la visco-plasticité ou de la plasticité classiques, à partir d'une interprétation thermodynamique générale. En particulier, les lois à gradient de l'endommagement sont aussi considérées en liaison avec des résultats récents de la littérature. Il est bien connu qu'un modèle à gradient permet d'interpréter les effets d'échelle des structures sous chargement mécanique. Il joue aussi un rôle intéressant dans les effets de localisation de la déformation
Author: EMMANUEL.. BRETON
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Languages : fr
Pages : 232
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Book Description
NOTRE TRAVAIL CONSISTE EN L'ETUDE DU COMPORTEMENT DE MASSIFS REVETUS FISSURES SOUMIS A DES SOLLICITATIONS MECANIQUES ET/OU THERMIQUES. UN MODELE BIDIMENSIONNEL DES MASSIFS REVETUS FISSURES EST PROPOSE. IL REPOSE SUR LA SUPERPOSITION DU CHAMP DE CONTRAINTES ET DE DEPLACEMENTS DU MASSIF REVETU SANS FISSURE ET DU CHAMP CORRECTEUR CORRESPONDANT AUX DISCONTINUITES DE DEPLACEMENT ASSOCIEES AUX FISSURES. NOTRE MODELE EST BASE SUR L'UTILISATION DES METHODES DE TRANSFORMATION INTEGRALE DE FOURIER, DE DISTRIBUTIONS CONTINUES DE DISLOCATIONS ET DE RESOLUTION DU PROBLEME DE CONTACT UNILATERAL AVEC FROTTEMENT. PAR RAPPORT AUX METHODES BASEES SUR LES ELEMENTS FINIS, CETTE APPROCHE PERMET UNE DETERMINATION SYSTEMATIQUE ET RAPIDE DU PROBLEME DE CONTACT ENTRE LES FACES DES FISSURES ET DU TAUX DE RESTITUTION D'ENERGIE ELASTIQUE A LEURS EXTREMITES. LA GENERALITE DE CE MODELE PERMET D'ETUDIER SOUS SOLLICITATIONS MECANIQUES ET/OU THERMIQUES LE COMPORTEMENT DE FISSURES PARALLELES SITUEES DANS LE SUBSTRAT, DANS LE REVETEMENT OU A L'INTERFACE REVETEMENT/SUBSTRAT ET DE FISSURES PERPENDICULAIRES DANS LE REVETEMENT OU DANS LE SUBSTRAT. IL PERMET D'EFFECTUER UNE PREMIERE SELECTION DE REVETEMENTS A PARTIR DE LA CONNAISSANCE DES SOLLICITATIONS APPLIQUEES ET DES CARACTERISTIQUES MECANIQUES ET THERMIQUES DU COUPLE REVETEMENT/SUBSTRAT. L'ANALYSE DU CHAMP DE CONTRAINTES DANS LE MASSIF REVETU NON FISSURE A PERMIS DE RELIER LES POSITIONS DES EXTREMUMS DES CONTRAINTES DE CISAILLEMENT ET DE TRACTION A L'INTERFACE REVETEMENT/SUBSTRAT AUX POSITIONS CRITIQUES D'UNE FISSURE A L'INTERFACE REVETEMENT/SUBSTRAT AUXQUELLES CORRESPONDRAIENT UN TAUX DE RESTITUTION D'ENERGIE MAXIMAL. NOUS AVONS AINSI MONTRE L'EXISTENCE D'UNE EPAISSEUR CRITIQUE DE REVETEMENT VIS A VIS DU RISQUE DE DELAMINATION. A PARTIR D'UNE ANALYSE MULTIFISSURE, NOUS AVONS ETUDIE LE MECANISME D'ECAILLAGE DU REVETEMENT, SCHEMATISE ICI PAR DEUX FISSURES, L'UNE SITUEE A L'INTERFACE REVETEMENT/SUBSTRAT, ET L'AUTRE DANS LE REVETEMENT, PERPENDICULAIRE A LA PREMIERE. NOUS AVONS CHERCHE A DEFINIR SOUS QUELLES CONDITIONS LA JONCTION DE CES FISSURES VA ENTRAINER LE DETACHEMENT D'UNE PARTICULE DU REVETEMENT
