Impact of gas transfers on the poro-mechanical behaviour of argillaceous materials

La question de l’impact des transferts de gaz sur le comportement poro-mécanique des matériaux argileux se révèle être un axe de recherches essentiel pour s’assurer de la faisabilité des solutions d’enfouissements de déchets radioactifs dans des couches géologiques profondes. En effet, que ce soit la ventilation permanente des galeries ou la migration du gaz produit par corrosion des composants métalliques, les écoulements de gaz influencent la distribution des pressions de pores dans le massif. Les importants couplages hydro-mécaniques affectent dès lors la roche hôte argileuses, que ce soit par une modification de l’étendue et des caractéristiques de la zone endommagée à proximité de la paroi suite à une désaturation accentuée par la ventilation ou par le développement dans le massif de chemins préférentiels d’écoulement suite à une rapide et forte montée en pression de gaz. Ces sollicitations peuvent induire des changements importants dans les caractéristiques de la barrière de confinement et compromettre l’isolation des matières radioactives. Face au besoin de comprendre et de quantifier ces phénomènes, notre travail se propose d’apporter des éléments de réponses dans les domaines de l’expérimental, du développement de modèles constitutifs mais surtout dans la modélisation hydro-mécanique des problèmes de transferts de gaz dans les roches argileuses dans un code aux éléments finis. L’interaction entre un matériau poreux et l’atmosphère qui l’entoure a été étudiée tout d’abord d’un point de vue expérimental, en développant des essais des essais de séchage convectif. Ces essais ont été analysés sur base d’une approche novatrice en géomécanique, basée sur l’existence d’une couche limite en surface contrôlant les échanges de vapeur d’eau et de chaleur avec l’extérieur. Une condition limite thermo-hydraulique non conventionnelle a ensuite été développée et introduite dans un code aux éléments finis et permet de reproduire les échanges observés en surface. Des modélisations de validation de la condition limite et d’application dans un problème proche de celui rencontré dans le contexte du stockage de déchets radioactifs permettent enfin de mettre clairement en évidence l’influence des coefficients de transfert de la couche limite sur le comportement mécanique du massif rocheux. Les essais d'injection de gaz sur le long terme dans les matériaux argileux indiquent des instabilités dans les écoulements qui sont certainement associées à des ouvertures et des fermetures de chemins localisés à travers l'échantillon. Ces ouvertures/fermetures pourraient résulter d'une combinaison de plusieurs processus : outre les effets capillaires, il semble nécessaire de prendre en compte un fort couplage avec la mécanique. Les modèles classiques qui reposent sur une approche biphasique continue des écoulements ne permettent en effet pas la reproduction de tels comportements. Un couplage hydro-mécanique supplémentaire est proposé en considérant une évolution de la perméabilité et de la courbe de rétention avec les déformations. La simulation de deux essais en laboratoire montre qu’un tel modèle semble être une piste intéressante pour reproduire des chemins localisés et plus conducteurs observés expérimentalement, mais cela nécessite d'avoir une description complémentaire sur l'origine de la localisation de la migration du gaz dans les matériaux argileux. Plusieurs exemples mettent également en évidence l’importance d’une détermination expérimentale précise de la courbe de rétention et de la perméabilité au gaz dans la zone quasi saturée, ce qui est actuellement rendu délicat et complexe par les méthodes expérimentales à notre disposition