MODÉLISATION DES ESSAIS IN SITU

Il existe actuellement peu de modélisations des deux phases caractéristiques d’un enfouissement de déchets radioactifs, à savoir l’excavation de la structure de stockage puis le chauffage, qui aient fait de plus l’objet d’une analyse vis-à-vis de mesures in situ. L’interprétation par une modélisation numérique des essais CACTUS offre une possibilité pour s’assurer de la pertinence d’une telle modélisation.

Modélisation des phases d’excavation et de reconsolidation

Le forage du puits central a des répercussions importantes sur l’état du massif avant chauffage. L’étude de cette perturbation est intéressante à plusieurs points de vue : – pour parvenir à une meilleure interprétation des essais in situ, – pour comprendre la réponse du massif à proximité d’une excavation, – enfin pour la modélisation de réalisations géotechniques analogues (forages, tunnels, excavations…). Dans cette étude, on considère que l’argile du massif a un comportement de type élastoplastique, sans présenter de viscosité intrinsèque. On supposera donc que les effets différés observés in situ (remontée des pressions dans le massif) proviennent uniquement du déséquilibre hydraulique dû au forage du puits.

Présentation des calculs. 1, Hypothèses simplificatrices

On s’intéresse aux effets du forage à proximité du fond du puits près des capteurs. Cette zone étant éloignée de la galerie, on néglige l’influence mécanique exercée par la galerie. Le problème présente ainsi une symétrie cylindrique autour de l’axe du puits, et les calculs sont effectués en axisymétrie. L’état initial du massif a été examiné lors de l’analyse des résultats d’essai. A la suite d’une analyse simplifiée de l’excavation, on considère que l’état initial est isotrope, formé de champs homogènes suivants : Ecrouissage thermique des argiles saturées G = G01 o0 = – 2,5 MPa p = p0 p0 = 1 MPa L’excavation du puits centrai des essais a été réalisée en plusieurs phases. Cependant, la dernière phase de forage a été réalisée rapidement sans interruption des travaux. Afin de simplifier la procédure de calcul, on considère dans cette simulation que l’excavation est réalisée en une seule phase accomplie en une journée. Enfin, rappelons que ces calculs sont faits dans le cadre de l’hypothèse de petites perturbations.

Maillage, chargement et conditions aux limites

Le chargement simulant l’excavation résulte des opérations suivantes : – annulation de la rigidité de la zone excavée, – réduction de la pression mécanique à la paroi du puits. Les conditions aux limites sont les suivantes : Conditions aux limites mécaniques: – sur l’axe de symétrie le déplacement radial est nul, – sur le bord supérieur le déplacement vertical est nul, – sur le bord d’excavation la contrainte normale décroît de 2.5MPa à 0 en ljour. Conditions aux limites hydrauliques : – sur le bord latéral droit et le bord inférieur, la pression interstitielle est imposée à IMPa: valeur initiale pour permettre un drainage permanent loin de l’excavation. – sur l’axe de symétrie et le bord d’excavation, le flux hydraulique est nul. L’excavation (réalisée en une seule phase) est menée en trois pas de chargements. La contrainte radiale en paroi du puits est diminuée progressivement : 60%, 80% puis 100%. Les instants de calcul valent respectivement : t= 0,6 jour, 0,8 jour et 1 jour. Après l’excavation, la sonde est installée et aussitôt après le puits est rebouché. Ces opérations sont simulées ainsi : – rigidité de la zone excavée égale à celle des matériaux mis en place, – continuité des déplacements à l’interface entre le massif et ces matériaux, – continuité des flux hydrauliques sur cette même interface (le flux hydraulique est nul à travers les matériaux non poreux).  Le chargement après le rebouchage du puits résulte uniquement du déséquilibre hydraulique existant après l’excavation. Le calcul de la « reconsolidation » débute par une reprise de l’état final du calcul d’excavation. Les instants de calculs sont les suivants : t= Sjours, lOjours, 20jours, 30jours, SOjours et lOOjours. 0 et CTr2 = 0 ; grad(p).n=0 IV) – 4 3 a.n = 2,5 MPa ; p = 1 MPa * Tsm Figure 1 : Conditions aux limites et taille du domaine étudié. Le maiîlage représente un cylindre de 27m de hauteur et de 15m de rayon. Ces dimensions sont suffisamment importantes pour pouvoir simuler le comportement d’un massif infini, compte tenu du rayon d’excavation et des diffusivités hydraulique et thermique de l’argile. Ce maiîlage comporte 3411 noeuds et 1092 éléments. Les éléments sont des quadrilatères à 8 noeuds avec des fonctions de forme quadratique (éléments isopararnétriques). Chaque noeud a 4 degrés de liberté : le déplacement radial, le déplacement vertical, la pression et la température. Le calcul couplé en phase thermique requiert plus de 10 000 degrés de liberté. 198 Ecrouissage thermique des argiles saturées Figure 2: Maillage du calcul, seul les éléments du massif argileux sont représentés. Le décrochement en paroi du puits marque la transition entre le forage de diamètre 60cm entre 0 et 12m, et le forage de diamètre 50cm entre 12m et 16m. 3. Caractéristiques thermohydromécaniques des matériaux Cinq matériaux distincts sont présents dans les essais : l’argile du massif, la boue de colmatage, la sonde, le polysol et le béton. On présente ici les caractéristiques des matériaux poreux (argile, boue), les caractéristiques des autres matériaux sont données en annexe. L’argile Les évolutions irréversibles de l’argile du massif sont modélisées par la poroplasticité avec ecrouissage thermique, suivant un critère Cam clay. Ce modèle ainsi qu’un jeu de paramètres adaptés au comportement de l’argile de Boom est décrit dans le chapitre 4 (tableau 4 page 126 ). Des calculs ont également été menés avec un modèle de Drucker Prager écrouissable qui est décrit en annexe 6 (page 269). On peut ainsi comparer les résultats de ces deux simulations avec les mesures in situ. L’élasticité non linéaire du modèle Cam clay est prise en compte dans les calculs. Le module d’incompressibilité tangent drainé ¥?§ est proportionnel à la contrainte effective moyenne. Chapitre 7 : Modélisation des essais in situ 199 Le tableau 1 présente les modules poroélastiques tangents pour une contrainte effective p’=l,5MPa (valeur avant excavation). On donne de plus les coefficients de perméabilité et de conductivité thermique qui sont connus avec une bonne précision. Données de base Valeur Unité Caractéristiques générales Porosité (% volume) <]> 40 % Caractéristiques mécaniques Module d’incompressibilité drainée K0 55,00 MPa Module de cisaillement u 77,00 MPa Caractéristiques hydromécaniques Coefficient de Biot b 1,000 Module de Biot M 5500,0 MPa Perméabilité apparente k 4,00E-12 m/s Viscosité du fluide f\ 1,00E-02 Poise (g/cm/s) Caractéristiques thermiques Capacité calorifique volumique C 2,85E+06 J/K/m3 Dilatation linéique drainée 0C0 î ,Q0E-05 /K Dilatation linéique non drainée a 4.54E-05 /K Conductivité thermique K l,70W/K/m Caractéristiques dérivées Valeur Unité Caractéristiques générales Indice des vides e 0,67 Caractéristiques mécaniques Module de Young drainé E0 157,00 MPa Coeff. de Poisson drainé v 0 0,02 Caractéristiques hydromécaniques Incompressibilité non drainée K 5550 MPa Module de Young non drainé E 230 MPa Coeff, de Poisson non drainé v 0,493 Coeff. de Skempton 3p/5sigma Bs 0,990 Perméabilité k 1.00E-12 m2 /Pa/s Perméabilité intrinsèque £ 4,00E-19 m2 4.00E-04 mDarcy Diffusivité hydraulique DH 6,lîE-08m2/s Caractéristiques thermiques Coeff. 9m96 isochore non drainé ocm 4,60E-05 /K Coeff. 3p/38 oedom. non drainé A 0,0194 MPa /K Diffusivité thermique D j 5.96E-07 m2/s Tableau 1 : Caractéristiques thermoporoélastique tangentes de l’argile pour une contrainte effective de l,5MPa. La boue de colmatage : La boue de colmatage est faite avec de l’argile du site additionnée d’eau, de teneur en eau massique de 65%. Ce matériau a l’aspect d’un fluide épais. Dans les calculs, son comportement est représenté par un modèle poroélastique linéaire ayant un faible module de cisaillement (20 MPa) et un module d’incompressibilité drainé comparable à celui de l’argile (KQ = 60 MPa). La valeur de la perméabilité est beaucoup plus forte que dans le massif (k = 1 10™08 m/s). Les caractéristiques thermiques ont été estimées en fonction de la teneur en eau et des caractéristiques du massif. Une erreur sur ces valeurs a cependant peu de conséquences car cet annulaire de boue est de faible épaisseur. Les valeurs des caractéristiques sont données en annexe 1. On y trouvera également les caractéristiques des autres matériaux.