Modélisation numérique du comportement des ouvrages souterrains par une approche viscoplastique, Numerical modeling of underground openings behavior with a viscoplastic approach

Alexandra Kleine

Description

Sous la direction de Albert Giraud
Thèse soutenue le 14 novembre 2007: INPL
La nature est complexe et c’est en toute modestie que les ingénieurs doivent chercher à prédire le comportement des ouvrages dans le sous-sol. La réalisation de projets industriels dans le domaine souterrain, à forts enjeux économiques et sociaux (traversées alpines, stockage de déchets nucléaires), nécessite d’évoluer vers une meilleure compréhension des mécanismes comportementaux des ouvrages à concevoir. Cette amélioration passe par une meilleure représentativité physique des mécanismes macroscopiques et par la mise à disposition d’outils de prédiction adaptés aux attentes et aux besoins des ingénieurs. Les outils de calculs développés dans ce travail s’inscrivent dans cette volonté de rapprocher les attentes de l’industrie et les connaissances liées à la rhéologie des géomatériaux. Ces développements ont ainsi débouché sur la proposition d’un modèle de comportement mécanique, adapté aux roches peu fissurées et assimilables à des milieux continus, intégrant, en particulier, l’effet du temps. Fil conducteur de cette étude, la problématique du sujet de thèse concerne précisément la prise en compte du comportement différé des massifs rocheux dans les modélisations et ses conséquences sur les ouvrages souterrains.Fondé sur des concepts physiques de référence, définis à différentes échelles (macro/méso/micro), le modèle rhéologique développé est transcrit dans un formalisme mathématique dans le but d’être mis en oeuvre numériquement.Les applications numériques proposées s’inscrivent principalement dans le contexte du stockage des déchets radioactifs. Elles concernent deux configurations d’ouvrages rigoureusement différentes : l’excavation du laboratoire souterrain canadien de l’AECL, dans le granite du Lac du Bonnet et le creusement de la galerie GMR du laboratoire de Bure (Meuse/Haute-Marne) dans l’argilite de l’Est. Dans les deux cas, l’utilisation du modèle a permis de mettre en évidence l’apport de la prise en compte du comportement différé sur la représentativité des prédictions numériques du comportement à court, moyen et long termes des ouvrages souterrains
-Ouvrages souterrains
-Comportement mécanique différé
-Modèle de comportement
-Elastoplasticité
-Radoucissement
-Viscoplasticité
-Stockage profond
-Matériaux granulaires
-Roches argileuses
Nature is complex and must be approached in total modesty by engineers seeking to predict the behavior of underground openings. The engineering of industrial projects in underground situations, with high economic and social stakes (Alpine mountain crossings, nuclear waste repository), mean striving to gain better understanding of the behavioral mechanisms of the openings to be designed. This improvement necessarily involves better physical representativeness of macroscopic mechanisms and the provision of prediction tools suited to the expectations and needs of the engineers. The calculation tools developed in this work is in step with this concern for satisfying industrial needs and developing knowledges related to the rheology of geomaterials. These developments led to the proposing of a mechanical constitutive model, suited to lightly fissured rocks, comparable to continuous media, while integrating more particularly the effect of time.Thread of this study, the problematics ensued from the subject of the thesis is precisely about the rock mass delayed behavior in numerical modeling and its consequences on underground openings design.Based on physical concepts of reference, defined in several scales (macro/meso/micro), the developed constitutive model is translated in a mathematical formalism in order to be numerically implemented.Numerical applications presented as illustrations fall mainly within the framework of nuclear waste repository problems. They concern two very different configurations of underground openings: the AECL’s underground canadian laboratory, excavated in the Lac du Bonnet granite, and the GMR gallery of Bure’s laboratory (Meuse/Haute-Marne), dug in argillaceous rock.In this two cases, this constitutive model use highlights the gains to be obtained from allowing for delayed behavior regarding the accuracy of numerical tunnel behavior predictions in the short, medium and long terms
-Underground openings
-Mechanical delayed-behavior
-Constitutive model
-Elastoplasticity
-Strain-softening
-Viscoplasticity
-Nuclear waste repository
-Granular materials
-Argillaceous rocks
Source: http://www.theses.fr/2007INPL083N/document

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Extrait

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INSTITUTNATIONALPOLYTECHNIQUEDELORRAINE
EcoleNationaleSupérieuredeGéologiedeNancy
LaboratoireEnvironnement,GéomécaniqueetOuvrages

EcoleDoctoraleRP2E

THESE

Présentéeàl’I.N.P.L
envuedel’obtentiondutitrede


DOCTEURDEL’I.N.P.L
GénieCivil–Hydrosystèmes–Géotechnique

par

AlexandraKLEINE



MODELISATIONNUMERIQUEDUCOMPORTEMENTDES
OUVRAGESSOUTERRAINSPARUNEAPPROCHE
VISCOPLASTIQUE




Soutenuepubliquementle14novembre2007devantlacommissiond’examen


MembresduJury:


M.AUBERTINMichel, Rapporteur
M.SHAOJianFu, Rapporteur
M.GIRAUDAlbert, Directeurdethèse
M.BILLAUXDaniel, Examinateur
MmeHOMANDFrançoise, Examinateur
M.HOXHADashnor, Examinateur
M.LAIGLEFrançois, Examinateur
M.PELLETFrédéric Examinateur


























A mon fils Enzo,
A Pierre-Marie, son grand-père paternel…














Remerciements


Fruit d’une étroite collaboration humaine, cette thèse a été menée à terme grâce à différents
protagonistes que je souhaite vivement remercier.

J’adresse d’abord mes plus sincères remerciements à toute l’équipe du Laboratoire
Environnement Géomécanique et Ouvrages, de l’ENSG. Plus particulièrement :
A Mme Françoise HOMAND, Directrice du laboratoire, pour avoir permis cette collaboration
EDF/LaEGO.
A Albert GIRAUD, mon Directeur de thèse, pour son encadrement et sa « cyber »-
disponibilité.
A Dashnor HOXHA, pour ses nombreux conseils techniques et sa gentillesse.
A tous les autres Chercheurs que j’ai croisé aux cours des différents séminaires mais que je
n’ai pas eu la chance de connaître durablement.

Je souhaite ensuite remercier tous les agents EDF qui ont contribué au bon déroulement de
cette thèse.
Je remercie d’abord M. Jean BOULET de m’avoir accueilli au sein de son service durant
presque quatre années. Son expérience, ses qualités relationnelles et son éloquence m’ont
beaucoup apportées.
Merci également à Jean-Luc PERRIOLLAT, Chef de Projet HAVL, sans qui cette thèse
n’aurait certainement pas eu lieu. J’ai été très touchée par la confiance qu’il m’a accordée et
par son précieux soutien au cours des événements personnels auxquels j’ai été confrontée
l’été dernier.
Merci à François LAIGLE, de m’avoir pris en (sur)charge pendant toutes ces années. Je le
remercie d’abord sur le plan professionnel, pour avoir su diffuser ses connaissances
techniques avec tant de pédagogie et de patience. Je le remercie aussi sur le plan
personnel, pour nos discussions, nos échanges et son soutien. Je le félicite pour tout ce qu’il
a accompli et pour avoir réussi à me supporter.
Merci à tous les autres membres (internes ou externes) du service GC-ED : Jean-Jacques
FRY, Eric BOURDAROT, Philippe KOLMAYER, Jean-Robert COURIVAUD, Jean-Pascal
VIVET, Julien CINTRACT, Emmanuel ROBBE, Etienne GRIMAL, Patrice SCHARFF, Eric
CHIESA, Eric VALETTE, Laurent DEL GATTO, Nicole KOZIOL, Henri DINE, Marc
LEFRANC, Patrick BONNET, Claude ALBALAT, Pierre MAZINGUE, Eric LAPERROUSAZ,
Denis AELBRECHT, Séverine GENOULAZ, Corinne BRISA, Séverine BAJARD, Salomé
JOFFRAY…
Merci à tous les autres agents du CIH, dont la liste serait trop longue…
Je remercie aussi toute l’équipe de Clément CHAVANT, agents EDF à la R&D à Clamart,
pour leur collaboration et leurs échanges techniques.
Je remercie particulièrement M. André SAINT-MARCEL, Chef du département Génie Civil,
pour son soutien et sa présence à ma soutenance de thèse, malgré le déplacement
occasionné.

Je remercie enfin, de tout mon cœur, mes parents, qui m’ont permis de poursuivre mes
études dans des conditions optimales. Merci pour leur soutien au quotidien et pour leur
investissement durant ces 28 années…
Merci à ma sœur et mes nièces, Mélinda et Célia, qui, les pauvres, ont subi les exigences de
leur tata.
Merci à mon mari, Gérald, pour tout ce qu’il m’a apporté depuis 11 ans.
Enfin, merci à mon fils Enzo, qui a grandement contribué à la rédaction de ma thèse, de là
où il était…



Résumé



Modélisation Numérique du Comportement des Ouvrages Souterrains par une
Approche Viscoplastique.


La nature est complexe et c’est en toute modestie que les ingénieurs doivent chercher à
prédire le comportement des ouvrages dans le sous-sol. La réalisation de projets industriels
dans le domaine souterrain, à forts enjeux économiques et sociaux (traversées alpines,
stockage de déchets nucléaires), nécessite d’évoluer vers une meilleure compréhension des
mécanismes comportementaux des ouvrages à concevoir. Cette amélioration passe par une
meilleure représentativité physique des mécanismes macroscopiques et par la mise à
disposition d’outils de prédiction adaptés aux attentes et aux besoins des ingénieurs. Les
outils de calculs développés dans ce travail s’inscrivent dans cette volonté de rapprocher les
attentes de l’industrie et les connaissances liées à la rhéologie des géomatériaux. Ces
développements ont ainsi débouché sur la proposition d’un modèle de comportement
mécanique, adapté aux roches peu fissurées et assimilables à des milieux continus,
intégrant, en particulier, l’effet du temps.
Fil conducteur de cette étude, la problématique du sujet de thèse concerne précisément la
prise en compte du comportement différé des massifs rocheux dans les modélisations et ses
conséquences sur les ouvrages souterrains.
Fondé sur des concepts physiques de référence, définis à différentes échelles
(macro/méso/micro), le modèle rhéologique développé est transcrit dans un formalisme
mathématique dans le but d’être mis en oeuvre numériquement.
Les applications numériques proposées s’inscrivent principalement dans le contexte du
stockage des déchets radioactifs. Elles concernent deux configurations d’ouvrages
rigoureusement différentes : l’excavation du laboratoire souterrain canadien de l’AECL, dans
le granite du Lac du Bonnet, et le creusement de la galerie GMR du laboratoire de Bure
(Meuse/Haute-Marne), dans l’argilite de l’Est.
Dans les deux cas, l’utilisation du modèle a permis de mettre en évidence l’apport de la prise
en compte du comportement différé sur la représentativité des prédictions numériques du
comportement à court, moyen et long termes des ouvrages souterrains.


Mots-clés: Ouvrages souterrains, comportement mécanique différé, modèle de
comportement, élastoplasticité, radoucissement, viscoplasticité, stockage profond, matériaux
granulaires, roches argileuses.




Abstract



Numerical Modeling of Underground Openings Behavior with a Viscoplastic
Approach.


Nature is complex and must be approached in total modesty by engineers seeking to predict
the behavior of underground openings. The engineering of industrial projects in underground
situations, with high economic and social stakes (Alpine mountain crossings, nuclear waste
repository), mean striving to gain better understanding of the behavioral mechanisms of the
openings to be designed. This improvement necessarily involves better physical
representativeness of