Academic literature on the topic 'Argilite – Oxfordien'

Excavated soils and rocks are materials obtained in construction works that could represent an ecological issue if a durable and efficient reuse process is not set. The radioactive waste disposal planned by the French National Radioactive Waste Management Agency will generate large quantities of excavated soil (mainly as Callovo-Oxfordian argillite). The re-use of excavated soils is a recent question. There is a lack in the literature concerning the recycling of such materials. Therefore, this paper aims to investigate the possibility of using Callovo-Oxfordian argillite (COx argillite from the French URL) as a raw material for Portland cement clinker production. COx argillite was first characterized by X-ray diffraction (XRD) and X-ray fluorescence (XRF) then a Portland cement clinker was synthesized at laboratory scale. The produced clinker was characterized to verify the chemical and mineralogical composition. After adding gypsum, the reactivity of the resulting cement was assessed by setting time and isothermal calorimetry measurements. The compressive strength was assessed on standard mortar prisms at 1, 14 and 28 days. The results show that a Portland cement clinker containing 64% C3S, 14% C2S, 10% C4AF, 7% C3A and 1% CaO can be produced when 22.24% of raw meal was substituted by the COx argillite. The setting time and isothermal calorimetry results show that the produced cement shows an equivalent reactivity to conventional ordinary Portland cement. The compressive strength at 28 days is 56 MPa, showing that the produced cement can be considered as CEM I 52.5 N Portland cement.

France’s deep-seated nuclear waste repository consists of a natural barrier located at a depth of 500 m in a Callovo-Oxfordian clayey formation. This repository has artificial barriers that include plugs of swelling clay (MX80 bentonite – sand mixtures) for sealing purposes. This paper focuses on the gas migration properties of water-saturated bentonite–sand mixtures and their interfaces with COx argillite. The main contribution of our study is the identification of a preferential gas migration pathway by measuring the downstream gas breakthrough pressures and gas flow rates. The water permeabilities of the bentonite–sand mixtures and their interfaces with COx argillite or COx argillite itself are the same order of magnitude (10−20–10−21 m2). Thus, water tightness can be obtained for these materials when they become completely saturated. The results obtained from the gas breakthrough tests suggest that both the COx argillite and its interface with the bentonite–sand mixture can act as preferential pathways for gas migration. The transport of the gas through the COx argillite or through its interface with the bentonite–sand mixture depends on the initial state of the COx argillite.

La végétalisation permet de remédier aux profondes perturbations qui affectent le paysage, à la suite du remaniement ou de l'excavation de matériaux minéraux. Une telle pratique entraine la création d'écosystèmes originaux dont la dynamique de fonctionnement est encore peu connue. Ce travail est consacré à l'étude des processus précoces et à long terme d'altération pédogenétique de matériaux rocheux carbonatés, excavés puis végétalisés. Il s'agit de caractériser l'influence de la végétation et en particulier des mécanismes rhizosphériques impliquant les exsudats racinaires complexants sur l'évolution de la composition des solutions et des phases minérales et de pronostiquer les différentes étapes de l'évolution pédogenétique des matériaux. Le travail expérimental a été mené sur deux roches sédimentaires argilo-calcaires: les argilites du Callovo-Oxfordien, extraites d'une couche géologique profonde durant la construction du laboratoire souterrain de l'Andra à Bure, et un matériau analogue, les argiles à Opalinus. Les matériaux ont d'abord fait l'objet d'une caractérisation chimique et minéralogique complète. Des essais en vases de végétation ont permis d'examiner les premiers stades d'altération des argiles à Opalinus en présence d'une Grarninée, Festuca rubra L. Et d'une Légumineuse, Lotus comiculatus L. Des expériences de transport réactif associées à la modélisation ont ensuite pennis d' étudier le rôle de trois composés organiques rhizosphériques complexants (acétate, oxalate, histidine) et d'un ligand synthétique modèle, l'EDTA, dans l'altération d'agrégats standardisés d'argilite. Enfin, l'évolution pédogénétique à long tenne des matériaux végétalisés a été établie à partir d'une approche prédictive basée sur la comparaison entre les argilites non altérées et deux sols évolués, formés au niveau d'affleurements naturels de ces mêmes argilites. La caractérisation minéralogique et chimique des matériaux rocheux a révélé le faible degré d'altération pédogenétique des deux argilites, qui leur confère une forte réactivité lorsqu'elles sont soumises aux conditions de la surface. Malgré la forte salinité du milieu, les plantes se développent directement sur le matériau rocheux; la présence d'un couvert végétal entraine une forte augmentation des concentrations des espèces majeures en solution (Ca2+, Mi+, Na+, cr et SO4[exposant]2-) et la précipitation de phases minérales secondaires (ex: gypse). Réciproquement, la forte salinité de la solution provoque chez les deux plantes l'apparition de carences en Ca et Mg, et une absorption de Na, Fe, Mn et Al anormalement élevée. Les résultats obtenus dans les simulations de pédogenèse accélérée en colonne ont montré que les carbonates (calcite) contrôlent de façon prépondérante la chimie des solutions et de là la nature et l'intensité des réactions d'altération par les ligands organiques. La dissolution des silicates et oxydes métalliques par les agents complexants est ainsi limitée honnis dans le cas de l'EDTA. A long terme, la pédogenèse sur les matériaux végétalisés devrait s'inscrire dans la séquence évolutive sols carbonatés - sols brunifiés, avec comme principaux processus la lixiviation des phases solubles, l'enrichissement de surface en matière organique, une décarbonatation superficielle puis la brunification progressive du profil. Enfin, sur un plan pratique, les principales contraintes pour la végétalisation de ces matériaux rocheux résident dans leur caractère oligotrophe et leur forte salinité.

La roche argileuse du Callovo-Oxfordien, peu perméable, est envisagée comme roche hôte d’un stockage de longue durée des déchets nucléaires. Les radionucléides présentent une mobilité très faible au sein de cette roche mais leur complexation avec des espèces colloïdales ou des macromolécules organiques, naturellement présentes dans l’eau de pore ou induites par le stockage, pourraient être un vecteur de leur transport. Afin de comprendre dans quelles mesures ces espèces colloïdales et organiques sont mobiles dans l’argilite, si elles interagissent chimiquement et/ou physiquement (filtration) avec la roche, des expériences d’adsorption en milieu dispersé et de transport en roche intacte (expériences de percolation), ont été menées sur des colloïdes de Se(0) et des acides organiques : acide succinique (118Da), acide citrique (192Da) et acide polymaléique (1900Da). Les études d’adsorption sur les colloïdes de Se(0) mettent en évidence la rétention de cette espèce sur la roche, ses propriétés étant écrantées par la présence nécessaire de protéine pour stabiliser la suspension. Les études d’adsorption sur les acides organiques montrent une rétention de ces espèces (entre 2,2. 10-3 et 4,20. 10-2 mol/kg de roche), fortement irréversible et dépendante de la teneur en solution en ion Ca2+ et des propriétés de complexation des acides organiques avec cet ion. Les expériences de percolation sur les acides succinique et polymaléique mettent en évidence la mobilité de ces espèces au sein de la roche intacte. Ces molécules sont soumises à des interactions similaires à celles identifiées en milieu dispersé et ne subissent aucune filtration par le réseau poral de la roche
Low permeability Callovo-Oxfordian clay rock is under consideration as a possible host rock for long-term disposal of radioactive waste in a deep geological repository. Radionuclides move slowly in the Callovo-Oxfordian rock but complexation with colloidal species or organic macromolecules, naturally present in the pore solution or generated by storage, may enhance their migration. These colloidal and organic species can be retained by the clay through chemical interactions or physical immobilization (filtration). To increase the understanding of their mobility, batch and transport experiments (percolation) were performed on crushed and whole rock samples using Se(0) colloids and the following organic acids: succinic acid (118Da), citric acid (192Da) and polymaleic acid (1900Da). Adsorption studies on Se(0) colloids show the retention of this species on the clay. However, the properties of these colloids are masked by the presence of the protein required for the stabilization of the suspension. Adsorption studies on organic acids highlight the retention of these species (between 2. 2. 10-3 and 4. 20. 10-2 mol/kg of rock) which is strongly irreversible and which depends on the Ca2+ ion concentrations in solution and on the capacity of organic acids to complex with this ion. Percolation experiments performed on succinic and polymaleic acids show that despite their size, these molecules are mobile in the pore water of the compact rock. Filtration was not observed. Interactions rock/organic molecule were similar to those identified on a crushed rock

Cette étude s’inscrit dans le contexte du stockage profond de déchets radioactifs sur le site de Meuse-Haute Marne (Andra) et plus précisément de l’évolution bio-physico-chimique de roches sédimentaires argileuses (Callovo-Oxfordien, COx), excavées et stockées en surface sous forme de verses. Durant la phase préparatoire et la phase d’exploitation, plusieurs millions de mètres cubes d’argilites seront excavées. L’argilite stockée à l’air libre sera ainsi exposée durant plusieurs décennies aux altérations météoritiques et aux conditions oxydantes de surface et à la colonisation biologique (plantes, bactéries, champignons). L’objectif de la thèse était d’étudier l’impact de molécules antioxydantes et de la végétalisation des verses par des plantes produisant ces molécules, sur les processus d’altération physiques, chimiques ou microbiens de l’argilite du COx. Ce travail visait à (i) identifier des molécules antioxydantes et des plantes d’intérêt (ii) évaluer les effets inhibiteurs des substances antioxydantes sur l’altération des minéraux et la lixiviation des métaux du COx au laboratoire, (iv) tester la cultivabilité des plantes sélectionnées sur les verses, (iii) suivre in situ l’évolution physico-chimique et microbiologique de l’argilite d’une verse plantée ou non. Des expériences de percolation en colonnes avec des molécules antioxydantes « modèles » des Lamiacées (linalol, thymol, carvacrol) ont montré des taux d’altération/lixiviation très variables en fonction de l’élément. Ils étaient très faibles pour l’aluminium (<1‰), compris entre 1-3% pour les autres métaux (Ca, Mg, Fe…) et atteignaient plus de 60% pour le sodium. Avec le thymol à 20 mg/l ont été observés sur 3 mois une diminution des taux de lixiviation du soufre et des éléments métalliques constitutifs des sulfures (Fe, As) et carbonates (Ca, Sr) et une diminution de l’abondance microbienne bactérienne et fongique. Cependant, l’apport d’exsudats racinaires synthétiques dans les colonnes a stimulé le développement microbien et amélioré la disponibilité de l’aluminium et du fer et la séquestration du calcium. Parmi les plantes testées, la lavande et le lavandin ont été sélectionnés. Deux essais successifs de plantations ont été menés in situ sur une verse d’argilite âgée (10 ans) durant un an. Le lavandin s’est mieux développé que la lavande et a été conservé pour la deuxième étude in situ. La comparaison de la partie plantée de la verse avec la partie nue a montré (i) une diminution significative des quantités de calcium, strontium, fer et soufre lixiviées (ii) une réduction importante de la quantité de matériel érodé (de deux ordres de grandeur) sur le talus planté par rapport au non planté (iii) un développement microbien et un taux de mycorhization important des racines. En conclusion, même si les molécules antioxydantes n’inhibent pas significativement l’altération de l’argilite, le lavandin s’est révélé une plante tout à fait pertinente pour la phytostabilisation des verses et la production de molécules antioxydantes in situ a été montrée
This study is a part of the deep disposal site development for radioactive waste in Meuse-Haute Marne (France), most specifically on the bio-physico-chemical conversion of sedimentary clay rocks (Callovo-Oxfordian, COx), excavated and stored on surface in the form of heap. During the experimental and operational phases, several million cubic meters of argillite will be excavated. Argillite stored in the open air will be exposed to meteoritic alterations, oxidizing conditions of surface and colonized biologically (plants, bacteria, fungi). The aim of the thesis is to study the impact of naturally derived antioxidants from revegetation of heap with antioxidant-producing plants on the physical, chemical or microbial weathering processes of argillite. This work was designed to (i) identify suitable naturally derived antioxidants and the plants to produce them (ii) assess the antioxidant inhibitory effects on weathering and leaching COx metals in the laboratory, (iv) field test selected plants on the heap, (iii) follow in situ physicochemical and microbiological evolution of the argillite heap planted with antioxidant producing plants. In the laboratory, percolating model antioxidants of Lamiaceae (linalool, thymol, carvacrol) through a packed column of argillite showed variable water weathering/leaching rate depending on the metal elements present; very low for aluminum (<1 ‰), between 1-3% for other metals (Ca, Mg, Fe ...) and reach more than 60% for sodium. With thymol at 20 mg/l for 3 months, it was found that there are a decrease in sulfur leached amount and the metal elements from the sulfides (Fe, As) and carbonates (Ca, Sr) and inhibition of bacterial and fungal microflora growths. However, intake of artificial root exudates in columns stimulates microbial growth, improves the availability of aluminum, iron and provides sequestration of calcium. Among the tested plants, lavender and lavandin were selected. Two successive plantation tests were carried out in situ on a heap of old argillite (10 years) for one year. The lavandin grew better than lavender and was retained for the second study in situ. The comparison of the planted part of the COx heap with bare COx showed (i) a significant reduction in the quantities of calcium, strontium, iron and sulfur leached (ii) a significant reduction (by two orders of magnitude) to the amount of eroded material on the slope planted compared to unplanted (iii) a significant rate of mycorrhiza roots and microbial growth. In conclusion, although the naturally derived antioxidants did not significantly inhibit the alteration of argillite, the lavandin is an excellent plant for phytostabilisation of heap and for production of antioxidants

Le développement de l’énergie nucléaire durant les dernières années nécessite de trouver des solutions pour le stockage et le confinement des déchets radioactifs. Une solution envisagée est l’enfouissement dans les formations argileuses peu perméables comme les argilites. Dans cette perspective, l’Andra a mis l’accent sur l’étude du comportement à court et à long terme de l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx), considérée comme une roche hôte potentielle en France. Dans le cadre de ce projet, une étude expérimentale microscopique et macroscopique sur le comportement thermo-hydro-mécanique de l’argilite du COx a été réalisée. Dans un premier temps, une investigation microstructurale des propriétés de rétention d’eau a été réalisée. L’étude de la courbe de rétention d’eau déterminée par la technique de contrôle de succion par phase vapeur et incluant les changements de volume et de degré de saturation en fonction de la succion le long des chemins de séchage et humidification a été complétée par une étude microstructurale basées sur des mesures porosimétriques par intrusion de mercure sur éprouvettes lyophilisées. On observe que les concepts régissant l’hydratation des smectites peuvent être utilisés pour une meilleure compréhension des effets de changement de teneur en eau sur la microstructure de l’argilite. Le comportement en compression-gonflement avec un aspect microstructural a été étudié par la réalisation d’un programme d’essai oedométriques haute pression et l’utilisation conjointe de la porosimétrie au mercure et le microscope électronique à balayage. Les résultats obtenus ont montré que le potentiel du gonflement était lié à la densité de fissuration engendrée lors de la compression. Le comportement thermo-mécanique de l’argilite du COx saturée a été étudié à partir d’essais de cisaillement et de chauffage en condition drainée réalisés à l’aide d’une cellule triaxiale cylindre creux à faible chemin de drainage. Les essais de cisaillement à 25°Cmontrent des résistances au cisaillement plus faible pour des éprouvettes de plus forte porosité. Les essais triaxiaux à 80°C montrent un comportement plus ductile, une résistance au cisaillement moins importante et pas d’effet significatif sur les paramètres élastiques de l’argilite. L’analyse des résultats des essais de chauffage drainée confirme un comportement plastique contractant, similaire aux argiles normalement consolidées, pour l’argilite du COx. La possibilité de réactivation d’un plan de cisaillement lors d’un essai de chauffage non drainé d’un échantillon de l’argilite du COx est mise en évidence. Les résultats obtenus montrent que la pressurisation thermique du fluide interstitiel peut, du fait du relâchement de contrainte induit, réactiver une fissure de cisaillement existante. Les propriétés d’auto-colmatage de l’argilite du Callovo-Oxfordien, dans une gamme de température de 25-80°C, ont été étudiées par la réalisation d’essais de perméabilité sur un échantillon endommagé par un chargement déviatorique. Les résultats montrent que la présence des plans de cisaillement n’affecte pas la perméabilité, ce qui confirme la bonne capacité d’auto-colmatage de l’argilite du COx
The development of nuclear energy in recent years requires safe solutions for the storage of radioactive waste. A solution proposed for high activity radioactive waste is the storage indeep low permeability geological formations such as claystones. In this perspective, Andra, the French agency for the management of radioactive wastes, supported investigations on theshort and long term behaviour of the Callovo-Oxfordian (COx) claystone, considered as apotential host rock in France. In this framework, a microscopic and macroscopic experimental study on the thermo-hydro-mechanical behaviour of COx claystone was carried out. In this work, a microstructure investigation of the water retention properties of the Cox claystone was performed. The water retention properties were determined by controlling suction through the vapour phase, with also the monitoring of volume changes and changes indegree of saturation as a function of suction along the drying and wetting paths. The study was completed by a microstructure investigation based on the use of mercury intrusion porosimetry on freeze-dried specimens. It was observed that the concepts governing the hydration of smectites appeared useful to better understand the effects of changes in water content and suction on the microstructure of COx claystone. In a second step, the compression-swelling behaviour of the COx claystone was related to micro structure features by performing high pressure oedometer compression tests and byrunning mercury intrusion porosimetry tests and scanning electron microscope observationson specimens submitted to compression and stress release. The results obtained showed that the potential of swelling was linked to the density of cracks generated during compression. The thermo-mechanical behaviour of fully saturated COx claystone specimens was investigated from shear and drained heating tests using a hollow cylinder triaxial device specially developed for low permeability materials. The shear tests at 25°C evidenced lowershear strength on specimens with higher porosity. The preliminary results obtained at 80°Cevidenced a more ductile response, with slightly smaller shear strength and little changes of the elastic parameters at elevated temperature. Drained isotropic heating tests confirmed thecontracting volumetric plastic behaviour of the COx argillite, similar to normally consolidated clays. The effect of thermal pressurisation of the pore water on a specimen with a pre-existingshear plan was investigated. The results showed that undrained heating under shear stress decreased the effective stress, bringing back the sheared specimen to failure. The self-sealing properties of COx claystone at 25 and 80°C were investigated by conducting steady state permeability tests on sheared specimens at various stages. The results showed that the overall permeability of the sheared specimen at 25 and 80°C was comparable to that before shearing, confirming the good self-sealing properties of COx claystone

L’Agence nationale de gestion des déchets radioactifs (Andra) mène des recherches approfondies afin de caractériser l’argilite du Callovo-Oxfordien (COx) en France, roche hôte potentielle pour le stockage géologique profond des déchets radioactifs. Les études concernent le comportement hydromécanique de la roche dû à l'excavation des galeries ainsi que la réponse thermo-hydro-mécanique (THM) résultant de la chaleur produite par les colis de déchets exothermiques. Un programme expérimental a été mené dans ce travail pour caractériser la réponse de l’argilite du COx sous différentes sollicitations THM dans un cadre thermo-poro-élastique isotrope transverse.Comme l’argilite du COx a une très faible perméabilité, les expériences en laboratoire doivent être adaptées pour de longues durées de saturation et de drainage. Nous présentons des solutions analytiques pour le champ de pression interstitielle en fonction du temps dans un échantillon soumis à différents chemins de chargement et à différents taux. Il s'agit d'un outil simple et efficace pour estimer les conditions devant être réunies afin de déterminer avec fiabilité les paramètres du matériau. Cela permet également d’optimiser les différentes conditions d'essai.À partir de cette approche, une nouvelle procédure de chargement transitoire par étapes a été mise au point pour les essais isotropes, dans des conditions drainées et non drainées, et sous charge thermique et mécanique. Ces protocoles rendent les expériences sur les roches à faible perméabilité plus efficaces en termes de temps, donnant accès à plusieurs paramètres THM et mesures de perméabilité en un seul essai.A partir des données d'essais de compression isotrope, de pression interstitielle et de chargement déviatoriques selon des directions parallèles et perpendiculaires au litage, on a étudié les propriétés poroélastiques des échantillons de roche saturée. Ces essais ont fourni un jeu compatible de paramètres de matériaux, et ce sous différents niveaux de contrainte, mettant en évidence une anisotropie significative. Alors que l'anisotropie du coefficient de Biot calculé par analyse inverse était très faible, nous avons observé une anisotropie importante du coefficient de Skempton.Des essais thermiques ont été réalisés selon différents chemins de chauffage et de refroidissement. Nous avons déterminé les coefficients de dilatation thermique drainée et non drainée dans les deux directions isotropes transverses. La mesure des variations de pression interstitielle a donné le coefficient de pressurisation thermique. Nous avons identifié une dépendance aux contraintes et à la température.Nous avons reproduit des chemins de chargement thermo-hydro-mécaniques correspondant aux chemins in situ sur l'axe de symétrie entre deux alvéoles dans lesquels sont placés les colis de déchets. À l'aide d'un système triaxial spécialement adapté et novateur, les échantillons ont été chauffés sous condition de déformation latérale nulle jusqu'à ce que les surpressions interstitielles thermiques provoquent des contraintes de traction qui ont fini par fracturer le matériau à des contraintes axiales effectives d'environ -3,0 MPa. Des essais sous différentes contraintes latérales totales a permis de décrire la rupture selon le critère de Griffith généralisé par Fairhurst. En utilisant les propriétés des THM évaluées dans l'étude, nous sommes en mesure de reproduire de façon satisfaisante les déformations observées sous tension.Enfin, un modèle thermo-poroélastique a été implanté dans un code de calcul d'éléments finis Freefem++. Le comportement THM autour des alvéoles parallèles disposés à intervalles réguliers a été modélisé. Cela permet de mieux comprendre la disposition spatiale des processus THM, les transferts de chaleur et de fluides, ainsi que le changement des états de contrainte par rapport au critère de rupture présenté ici
Extensive research is carried out by the French National Radioactive Waste Management Agency (Andra), in order to characterize the Callovo-Oxfordian (COx) claystone, a candidate host rock for a deep geological radioactive waste repository in France. The hydromechanical behaviour of the rock due to the excavation of the galleries are studied, as well as the thermo-hydro-mechanical (THM) response arising from heat generated by the exothermic waste packages. A laboratory programme was carried out in this work to characterize the response of COx claystone to different THM loadings within the framework of transversely isotropic thermo-poro-elasticity.Due to the very low permeability of the COx claystone, laboratory experiments have to be adapted for long saturation and drainage durations. Analytical solutions are presented for the time dependent pore pressure field in a specimen submitted to various loading paths and different rates. This provides a simple and efficient tool for the estimation of the conditions that must hold for reliable determination of material parameters. It allows as well an optimization of various test conditions.Based on this approach, a new transient step loading procedure was developed for isotropic tests in drained and undrained conditions, under both thermal and mechanical loading. This protocols render experiments on low permeable rocks more time efficient, giving access to several THM parameters and permeability measurements in a single test.In isotropic compression tests, pore pressure tests, and deviatoric loading tests parallel and perpendicular to the bedding plane, poroelastic properties were investigated on saturated rock specimens. The performed experiments provide compatible material parameters at different stress levels, evidencing a significant transverse isotropy, which had little effects on the back-calculated Biot’s coefficients and more effects on Skempton's coefficients.Thermal loads were exerted on COx specimens along different heating and cooling paths. Drained and undrained thermal expansion coefficients along both the transverse isotropic directions were determined. The measurement of pore pressure changes yielded the thermal pressurization coefficient, with a stress and temperature dependency identified.Thermo-hydro-mechanical loading paths corresponding to the paths expected in situ at the symmetry axis between two microtunnels, in which canisters are placed, were mimicked in the laboratory. Using a specially developed novel triaxial device, samples were heated with no radial strain allowed, until thermally induced pore pressures caused effective tensile stresses, which ultimately fractured the material at axial effective stresses around -3.0 MPa. Fracturing under different lateral total stresses allow to describe the failure with Fairhurst's generalized Griffith criterion. Using the THM properties evaluated earlier in the study, one is able to satisfactorily reproduce the observed deformations under tension.Last of all, a thermo-poroelastic model was implemented in the finite element solver Freefem++. The THM behaviour around parallel microtunnels in periodic layout is simulated in a 2D configuration. This helps to better understand the spatial arrangement of THM processes, heat and fluid transport, and the change of stress states with respect to the presented failure criterion

Dans le cadre de recherches menées par l'ANDRA, qui visent à évaluer la faisabilité de créer un stockage de déchets radioactifs dans la formation argileuse du Callovo Oxfordien, cette thèse s'intéresse à deux étapes indispensables pour obtenir une image 3D du sous sol. La première étape concerne la cartographie de la géométrie de la formation. Celle-ci est déterminée à partir de temps pointés le long de profils sismiques, orientés suivant deux directions principales. Aux intersections, les valeurs enregistrées par deux profils sont différentes. Le faible nombre d'intersections ne permettant pas une étude détaillée du comportement spatial de ces différences, elles sont analysées par le biais du pseudo variogramme croisé. L'analyse variographique permet de choisir un modèle cohérent pour l'ensemble des profils. À partir de ce modèle une estimation du temps corrigée est présentée. La deuxième étape concerne l'étude de l'impédance, variable liée aux propriétés intrinsèques de la roche. Deux types de mesure sont disponibles. D'une part l'impédance sismique résultant de l'inversion géophysique de l'amplitude enregistrée le long de profils de sismique réflexion est largement étendue dans la zone d'intérêt. D'autre part, l'impédance log, résultant du produit de la densité de la roche et de la vitesse des ondes P, n'est connue uniquement dans quelques puits. Le comportement spatial bivariable, le long de la direction verticale, a permis de formuler l'hypothèse suivante : chaque mesure d'impédance est décomposée en une somme d'une variable Z (commune aux deux mesures) et d'un résidu différent pour chaque mesure. Sous certaines hypothèses supplémentaires, il est possible d'estimer la composante commune sur l'ensemble des sections sismiques. En complément à ces études, d'autres points ont été évoqués, par exemple la correspondance entre procédés géophysiques et géostatistiques, ou la prise en compte d'incertitude sur les amplitudes
In the framework of researches carried out by ANDRA (the French agency for nuclear waste), which aim at evaluating the feasibility of creating a repository of radioactive waste in the Callovo Oxfordian clay formation. This thesis studies two key steps to obtain a 3D image of the formation: its geometry and its internal heterogeneity. The geometry of the sedimentary formation is determined from seismic time picking along profiles. These profiles are oriented along two main directions. At the intersections, the values registered by two profiles are different. The low number of intersections does not allow a precise study of the spatial behavior of these differences; they are analyzed via the pseudo-cross-variogram. The variography analysis allows the choice of a coherent model for all the profiles, from which an estimation of the corrected time is presented. The internal heterogeneity is performed through the study of the impedance, a variable linked to the intrinsic properties of the rock. Two types of measurements are available. On one hand, the seismic impedance resulting from the geophysical inversion of the amplitude recorded along seismic reflection profiles is densely distributed in the area of interest. On the other hand, the impedance log, resulting from the product of rock density and P wave velocity, is known at only few wells. Bivariate spatial behavior along the vertical direction has allowed the formulation of the following hypothesis: each impedance measurement can be decomposed into a sum of a variable Z (common to both measures) and a residual specific to each measure. Under certain supplementary hypotheses, it is possible to estimate the common component along the seismic sections. Some complements to these studies are mentioned, for example the correspondence between geophysical and geostatistical methods or the consideration of uncertainty in the amplitudes

Les propriétés des argilites du Callovo-Oxfordien les désignent comme une barrière naturelle sûre pour le stockage de déchets radioactifs. Afin d’optimiser la prédiction de leur comportement, leur réponse à diverses sollicitations à court et long termes est étudiée. Notamment, lors de la phase d’exploitation, l’air ventilé dans les galeries n’est pas à l’équilibre hydrique avec la roche et peut perturber ses propriétés hydromécaniques (HM). Il semble alors essentiel de caractériser la réponse HM de la roche à des sollicitations hydriques.La démarche adoptée consiste à proposer un modèle physique adéquat, sur la base d’essais au laboratoire. L’essai de séchage est retenu puisqu’il permet d’étudier la réponse des échantillons en conditions non-saturées. A partir des résultats HM, un modèle élastique 2D isotrope est proposé, puis est élevé à la 3D avec un module de Young isotrope transverse. Ensuite, les données expérimentales servent à estimer certains paramètres poroélastiques et de transfert du modèle. Cette étape est accomplie par procédure inverse (minimisation de l’erreur mesures-calculs). Enfin, une modélisation 2D du comportement in situ est proposée, et compare les prédictions de modèles plastique isotrope et élastique isotrope transverse.Les simulations d’essais au laboratoire reproduisent assez bien les données expérimentales. Pour la modélisation in situ, une bonne corrélation est obtenue entre les prédictions et les mesures, et ce sans ajustement préalable des paramètres. Toutefois, le modèle souligne une influence limitée de la plasticité à l’échelle du laboratoire, alors que les phénomènes dissipatifs sont marqués in situ. Les modélisations 3D au laboratoire ne donnent pas de résultats plus fins qu’en 2D, mais reproduisent plus de données expérimentales (variations de masse, déformations axiales et latérales). De plus, injecter plusieurs types de données dans la formulation inverse permet d’améliorer la précision de l’algorithme. Par ailleurs, une meilleure stabilité de l’algorithme est obtenue en adoptant une convergence en deux étapes (simplex, puis méthode de type gradient). Les estimations numériques des paramètres corroborent les mesures expérimentales obtenues par ailleurs
The Callovo-Oxfordian claystones’ properties make them reliable as a geological barrier for the confinement of radioactive wastes. In order to optimally predict their behavior, how they respond to various short and long terms loadings has to be studied. Particularly during the exploitation phase, air is continuously ventilated throughout the galleries. The climatic properties of this air are not balanced with those of the rock, and may perturb its hydromechanical (HM) attributes. Thus, assessing the HM response of the rock under hydric loading seems to be a priority.This dissertation begins with laboratory tests to propose an appropriate physical model. Drying tests were studied as they focus on the HM response of samples undergoing hydric loadings. A first 2D isotropic model is proposed, and then enhanced to 3D by considering a transversely isotropic Young modulus. Secondly, experimental results provide relevant data to estimate poroelastic and transport parameters involved in the model. Estimation is achieved according to an inverse procedure, which minimizes the error between measurements and model predictions. Finally, a real-size test is simulated using 2D models: an isotropic plastic one and a transversely isotropic elastic one.Model predictions reproduce well the laboratory tests data. When simulating the in situ behavior, a rather good agreement is obtained between the numerical and experimental results (although using the parameters estimated at the laboratory scale). However, the model highlights a limited influence of plasticity in the laboratory tests, while dissipative phenomena obviously occur in situ. 3D laboratory simulations do not improve the precision of 2D results, but reproduce more experimental data (mass variations, axial and lateral strains). Moreover, the inversion process is more efficient when ran over various kinds of data. Furthermore, stability of the algorithm is improved when adopting a two-phase convergence (simplex, followed by a gradient-like method). Numerical estimates of the parameters are in agreement with the direct experimental measurements obtained through other tests

Le but de cette thèse est de mettre en place un nouveau modèle de comportement hydromécanique permettant de prendre en compte les anisotropies initiale et induite et l'impact de l'endommagement mécanique sur la perméabilité. Afin de construire ce modèle, une nouvelle approche de modélisation permettant d'étendre les lois de comportement mécaniques des matériaux isotropes aux matériaux anisotropes est développée. Cette approche, employée dans le cadre des milieux continus à variables internes, est utilisée pour construire une loi de comportement elasto-viscoplastique qui distingue les régimes de sollicitation en compression et en traction. Un tenseur de second ordre est introduit pour décrire l'anisotropie induite suite à des sollicitations de traction et une variable interne scalaire est utilisée pour traduire le durcissement/adoucissement du matériau suite à des sollicitations de compression. Sous des sollicitations complexes, ces deux mécanismes sont couplés et l'effet de fermeture/réouverture des fissures est traité. Le couplage endommagement-perméabilité est ensuite modélisé par l'introduction d'une loi phénoménologique reliant la perméabilité intrinsèque du matériau aux variables internes de la mécanique.Ce modèle a été appliqué dans le cas des ouvrages souterrains du site de Bure afin de comprendre les mécanismes d'altération des propriétés hydromécaniques autour des galeries et des alvéoles de stockage causée non seulement par les opérations de creusement mais également par les surpressions dues à la production d'hydrogène gazeux suite à la corrosion des parties métalliques des modules de déchets
This thesis aims to introduce a new hydromechanical constitutive model taking into account both initial and induced anisotropies and the impact of the mechanical damage on the permeability. To build this model, a new modeling approach is developed allowing the extension of mechanical behavior laws from isotropic materials to transversely isotropic materials. This approach is used, within the framework of continuous media with internal variables, to propose an elasto-viscoplastic behavior law that distinguishes between compressive and tensile loading regimes. A second order tensor is introduced to describe the induced anisotropy due to tensile loadings, and a scalar internal variable is employed to account for hardening and softeningof the material due to compressive loadings. Under complex loadings, these two mechanisms are coupled, and the effect of cracks closing/reopening is taken into consideration. The damage-permeability coupling is modeled by the introduction of a phenomenological law linking the material intrinsic permeability to the mechanical internal variables.The developed model is applied to the case of the underground drifts of Bure site in order to better understand the mechanisms of hydromechanical properties alteration, around drifts and storing cells. Not only the impact of the excavation operations is considered but also the consequences of the overpressures caused by the produced hydrogen due to the corrosion of the metallic parts of nuclear waste containers

A heating experiment named TER is being conducted with the objectives to identify the thermal properties, as well as to enhance the knowledge on THM processes in the Callovo-Oxfordian clay at the Meuse/Haute Marne Underground Research Laboratory (France). The in situ experiment has being switched on from early 2006. The heater, 3 m length, is designed to inject the power in the undisturbed zone at 6 m from the gallery wall. A heater packer is inflated in a metallic tubing. During the experiment, numerous sensors are emplaced in the surrounding rock and are experienced to monitor the evolution in temperature, pore-water pressure and deformation. The models and numerical codes applied should be validated by comparing the modeling results with the measurements. In parallel, some lab testing have been achieved in order to compare the results given with two different scales (cm up to meter scale). In this paper, we present a general description of the TER experiment with installation of the heater equipment and the surrounding instrumentation. Details of the in situ measurements of temperature, pore-pressure and strain evolutions are given for the several heating and cooling phases. The thermal conductivity and some predominant parameters in THM processes (as linear thermal expansion coefficient and permeability) will be discussed.