Effect of temperature on damage and permeability of clayey soils and rocks

Le stockage des déchets radioactifs dans les formations géologiques profondes peu perméables comme les argilites et les argiles plastiques est envisagée comme une solution possible et fait l'objet de nombreuses études depuis une trentaine d'années. Dans le cadre du projet européen TIMODAZ, l'accent a été mis sur l'étude des effets d'une augmentation de la température engendrée par les déchets exothermiques sur la zone endommagée autour d'une galerie souterraine de stockage. Dans le cadre de ce projet, une étude expérimentale sur le comportement thermique de l'argile de Boom et de l'argile à Opaline a été réalisée. Afin de surmonter les difficultés reliées à l'étude expérimentale des matériaux peu perméables en laboratoire, une nouvelle cellule triaxiale à court chemin de drainage a été mise en œuvre. Les essais ainsi qu'une modélisation numérique montrent que la re-saturation des échantillons désaturés par le processus d'excavation, transport, stockage et préparation peut être réalisée beaucoup plus rapidement par ce dispositif. Les essais de chargement mécanique et thermique en condition drainée (c'est-à-dire avec une surpression interstitielle engendrée négligeable) peuvent être réalisés également dans cette cellule avec des vitesses de chargement plus élevée comparée aux cellules triaxiales classiques. La possibilité de réactivation d'une bande de cisaillement par pressurisation thermique du fluide interstitiel dans un échantillon de l'argile de Boom est mise en évidence. On observe qu'un plan de rupture préexistant dans l'échantillon agit comme un plan de faiblesse pouvant être réactivé de façon préférentielle au moment de la rupture. La résistance au cisaillement obtenue sur le plan de rupture est inférieure à celle de matériau intact pour l'argile de Boom. Le comportement thermique de l'argile à Opaline a été étudié à partir d'essais de chauffage en condition drainée et non drainée sur des échantillons saturés. L'essai de chauffage drainé montre un comportement thermo-elasto-plastique avec limite expansion/contraction à 65°C. Ce comportement est similaire au comportement des argiles faiblement surconsolidées. L'analyse des résultats de l'essai de chauffage non drainé met en évidence que l'eau interstitielle dans l'argile à Opaline a un coefficient de dilation thermique plus important comparé à celui de l'eau libre. Dans la gamme de températures étudiées (25°C-80°C), les mesures de perméabilité sur les échantillons endommagés par un chargement déviatorique ne montrent aucun effet de l'endommagement sur la perméabilité, ce qui prouve la bonne capacité de scellement de l'argile de Boom et l'argile à Opaline saturéesStorage of exothermic radioactive waste in deep low permeability geological formations such as clayey rocks and plastic clays is a solution considered for long term repositories. However the excavation of underground galleries creates a damaged zone (EDZ). The effect of the damage zone on the transport properties of the geological barrier has been widely studied. Within the framework of the TIMODAZ European project, emphasis has been put on the effect of temperature. As a partner of this project, the current work is performed to investigate the coupling effect between temperature, damage and permeability on Boom clay and Opalinus clay through an experimental study. View to the experimental difficulties related to the low permeability materials, a new hollow cylinder triaxial cell with short drainage path specifically designed to study the thermo-hydro-mechanical behaviour of very low permeable materials is developed during this work. The tests and the numerical analysis show that the short sample drainage path reduces significantly the time needed to resaturate an initially unsaturated sample and it also permits to achieve drained conditions (i.e. negligible excess pore pressure during testing) with a higher loading rate. For Boom clay, the effect of the pore water thermal pressurisation on a sample with a pre-existing shear band is investigated. The undrained heating under shear stress decreases the effective stress on the sample which leads to its failure. An existing failure plane in the sample behaves like a preferential weakness plane which can be reactivated by pore water thermal pressurisation. The estimated shearing resistance along the sheared plane is smaller than that of the intact material. For the Opalinus claystone, drained heating on a saturated sample shows that this claystone behaves like a slightly overconsolidated material (thermo-elasto-plastic behaviour) with transition from expansion to contraction at 65°C. The decrease of the permeability of the sample before and after the heating-cooling cycles proves the irreversible volumetric compaction of the sample. The undrained heating test on the Opalinus claystone induces an excess pore pressure in the sample which cannot be explained by the difference between the free water thermal expansion coefficient and that of the solid matrix. The back analysis of the results shows a higher value for the water thermal expansion coefficient as compared to that of free water. Permeability measurements at 25°C and 80°C on samples previously damaged by deviatoric loading show no significant effect of damage on the permeability of the samples. These results confirm the good sealing capacity of both clays at various temperature