Application des approches d'homogénéisation à l'étude des propriétés thermo-hydro-mécaniques des roches. Application aux argilites, Application of homogenization approaches to the study of the thermo-hydro-mechanical properties of rocks. Application to argilites

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Sous la direction de Albert Giraud, Dashnor Hoxha
Thèse soutenue le 28 novembre 2008: INPL
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
-Argilites
-Homogénéisation linéaire et non linéaire
-Comportement élasto-viscoplastique
-Comportement élasto-plastique
-Milieu hétérogène
-Comportement thermo-hydro-mécanique linéaire
The present work deals with the linear and non-linear thermo-hydro-mechanical behaviour of porous rocks such as the argillite by the multiscale modelling approach. Based on microstructure observations, a conceptual model was proposed. In this model, the representative elementary volume of a heterogeneous medium is composed of an argillaceous matrix containing spherical inclusions of minerals quartz and calcite and ellipsoidal inclusions representing the pore space. In a first step, the process of modelling has been exploited by determining the isotropic and transversely isotropic effective properties of the argillite: thermal conductivity and thermo-hydro-mechanical properties. Furthermore, many numerical studies have highlighted the influence of the morphology of the pore space, of the mineralogy and of the estimate schemes to the predictive results. In a second step, we modelled the non linear mechanical behaviour (elasto-plastic, elasto-viscoplastic) of argillaceous rocks. The comparison between numerical simulations and available experimental results (triaxial compression test, creep test) confirmed the validation of the model developed
-Argilites
-Linear and non linear homogenization
-Elasto-viscoplastic behaviour
-Heterogeneous medium
-Linear thermo-hydro-mechanical behaviour
-Elasto-plastic behaviour
Source: http://www.theses.fr/2008INPL091N/document
Publié le : mercredi 26 octobre 2011
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INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE
Ecole Nationale Sup¶erieure de G¶eologie de Nancy
Laboratoire Environnement, G¶eom¶ecanique et Ouvrages
Ecole Doctorale RP2E
THESE
Pr¶esent¶ee µa l’I.N.P.L.
en vue de l’obtention du titre de
DOCTEUR DE L’INPL
en G¶enie Civil - Hydrosystµemes - G¶eotechnique
par
DO Duc Phi
Application des approches d’homog¶en¶eisation µa l’¶etude
des propri¶et¶es thermo-hydro-m¶ecaniques des roches.
Application aux argilites
Soutenue publiquement le 28 novembre 2008
devant la Commission d’Examen :
F. HOMAND Professeur, Institut National Polytechnique de Lorraine Pr¶esident du jury
H. DUMONTET Universit¶e Pierre et Marie Curie (Paris) Rapporteur
J. F. SHAO Professeur, Universit¶e des Sciences et Technologie de Lille Rapporteur
X. CHATEAU Charg¶e de recherche, HDR, LMSGC, Marne La Vall¶ee Examinateur
A. GIRAUD Professeur, Universit¶e de Metz Directeur de thµese
D. HOXHA Universit¶e d’Orl¶eans Co-Directeur de thµeseMis en page avec la classe thloria.A toute ma famille,
A toi, Anh Thu,
A la m¶emoire de ma mµere!
4Remerciements
Je tiens µa exprimer ma profonde reconnaissance µa toutes celles et tous ceux qui m’ont aid¶e
pendant les trois ann¶ees de thµese.
J’adresse tout d’abord mes gratitudes trµes sincµeres µa mon directeur de thµese Monsieur Albert
Giraud pour avoir accept¶e d’assurer la lourde t^ache de direction de cette thµese. Ses exp¶eriences
scientiflques et ses conseils ont ¶et¶e un soutien indispensable µa la r¶ealisation de ce travail. Je tiens
¶egalement µa remercier vivement mon co-directeur, Monsieur Dashnor Hoxha. La clart¶e et la jus-
tesse de ses raisonnements scientiflques ont ¶et¶e pour moi essentielles dans l’accomplissement de ce
travail. Je n’oublierai sans doute jamais ses encouragements et sa disponibilit¶e qui me permettent
de surmonter de nombreuses di–cult¶es durant le d¶eroulement de thµese.
Je voudrais adresser mes vifs remerciements µa Madame Fran»coise Homand, Professeur de l’INPL,
qui m’a accueilli au sein de son ¶equipe de recherche au LAEGO et a accept¶e d’^etre pr¶esidente de
mon jury.
Jetiensensuiteµaexprimermasincµerereconnaissanceauxrapporteurs,MadameH¶elµeneDumontet,
Professeur µa l’Universit¶e Pierre et Marie Curie (Paris VI), ainsi que Monsieur Jian-Fu Shao, Pro-
fesseur µa l’Universit¶e des Sciences et Technologie de Lille, pour leurs commentaires sur le m¶emoire
et leurs discussions lors de la soutenance qui ont ¶et¶e constructifs. Je voudrais remercier ¶egalement
Monsieur Xavier Chateau (Charg¶e de recherche, HDR, Universit¶e Marne La Vall¶ee) pour avoir
accept¶e d’examiner ce travail.
Un amical remerciement µa mes collµeges et amis doctorants pour leur disponibilit¶e , leur bonne
humeur et surtout, l’amiti¶e qu’ils m’ont prouv¶ee dans plusieurs situations : Vu, Na˜‡ma, Javad,
Cosmin, Truong, Tho, Bien, J¶erome^ , Vincent, Jon, Laurent,...
A toute ma famille, ma femme Anh Thu et mes amis qui m’ont ofiert leur soutien permanent, je
souhaite qu’ils trouvent ici la marque de ma grande reconnaissance.
5Remerciements
6R¶esum¶e
Application des approches d’homog¶en¶eisation µa l’¶etude des propri¶et¶es thermo-
hydro-m¶ecaniques des roches. Application aux argilites.
Le pr¶esent travail est consacr¶e µa l’¶etude du comportement thermo-hydro-m¶ecanique lin¶eaire et
non lin¶eaire des roches poreuses de type argilites par approche de changement d’¶echelle. A partir
des observations microstructurales de ces mat¶eriaux, un modµele conceptuel a ¶et¶e propos¶e. Dans
ce modµele, le volume ¶el¶ementaire repr¶esentatif du milieu h¶et¶erogµene est compos¶e d’une phase ma-
tricielle argileuse contenant des inclusions sph¶eriques de min¶eraux de quartz et de calcite et des
inclusions ellipso‡dales aplaties repr¶esentant l’espace poreux. Dans un premier temps, le proc¶ed¶e˜
delamod¶elisationa¶et¶eexploit¶eparlad¶eterminationdespropri¶et¶esefiectivesisotropesetisotrope
transversesdesargilites:laconductivit¶ethermiqueetlespropri¶et¶esthermo-hydro-m¶ecaniquecroi-
s¶ees.Enoutre,de nombreuses¶etudesnum¶eriquesontmisen¶evidencel’in uencedelamorphologie
de l’espace poreux, de la min¶eralogie et des sch¶emas d’estimation sur les r¶esultats pr¶edictifs. Dans
undeuxiµemetemps,nousavonsmod¶elis¶elecomportementm¶ecaniquenonlin¶eaire(¶elasto-plastique,
¶elasto-viscoplastique)desrochesargileuses.Lacomparaisonentrelessimulationsnum¶eriquesetles
r¶esultats exp¶erimentaux disponibles (essai de compression triaxiale, essai de uage) a conflrm¶e la
validation du modµele d¶evelopp¶e.
Mots-cl¶es : Milieux h¶et¶erogµenes, Argilites, Comportement thermo-hydro-m¶e¶ecanique lin¶eaire,
Comportement ¶elasto-plastique, Comportement ¶elasto-viscoplastique, Homog¶en¶eisation lin¶eaire,
Homog¶en¶eisation non lin¶eaire.
7R¶esum¶e
8Abstract
Applicationofhomogenizationapproachestothestudyofthethermo-hydro-mechanical
properties of rocks. Application to argilites.
The present work deals with the linear and non-linear thermo-hydro-mechanical behaviour of
porous rocks such as the argillite by the multiscale modelling approach. Based on microstruc-
ture observations, a conceptual model was proposed. In this model, the representative elementary
volume of a heterogeneous medium is composed of an argillaceous matrix containing spherical in-
clusions of minerals quartz and calcite and ellipsoidal inclusions representing the pore space. In a
flrststep,theprocessofmodellinghasbeenexploitedbydeterminingtheisotropicandtransversely
isotropic efiective properties of the argillite : thermal conductivity and thermo-hydro-mechanical
properties. Furthermore, many numerical studies have highlighted the in uence of the morphology
of the pore space, of the mineralogy and of the estimate schemes to the predictive results. In a
second step, we modelled the non linear mechanical behaviour (elasto-plastic, elasto-viscoplastic)
of argillaceous rocks. The comparison between numerical simulations and available experimental
results (triaxial compression test, creep test) conflrmed the validation of the model developed.
Key-words:Argilites,Heterogeneousmedium,Linearthermo-hydro-mechanicalbehaviour,Elasto-
plastic behaviour, Elasto-viscoplastic behaviour, Linear and non linear homogenization.
9Abstract
10

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