Numerical modeling of hydromechanical coupling in fractured rock mass

Dans cette thèse, nous proposons une modélisation unifiée du couplage hydromécanique des massifs rocheux fracturés en se basant sur la caractérisation de réseaux de fractures discrètes (DFN). En particulier, nous proposons une extension de la méthode dite de ressorts de corps rigides (RBSM). Les principales contributions de ce travail portent sur les points suivants:(1) Un modèle de comportement mésoscopique, basé sur la méthode RBSM, est développé pour décrire la fissuration de la roche. Ce modèle permet de prendre en compte la distribution de fractures préexistantes, l'initiation, la propagation et la coalescence de nouvelles fissures. La roche intacte est représentée par un certain nombre de blocs rigides, répartis aléatoirement et reliés par des ressorts. La déformation macroscopique du massif est due à la déformation locale des interfaces entre blocs.(2) Nous avons ensuite proposé un modèle à double porosité pour modéliser le transfert hydraulique dans le massif à partir de la distribution de fractures discrètes. En combinaison avec le modèle RBSM, la variation de la perméabilité lors de la fissuration du massif est étudiée.(3) La formulation d’inégalité variationnelle pour le problème d’écoulement avec surface libre est étendue aux réseaux de fractures en 2D et 3D. Cette formulation permet d’aborder les problèmes de surfaces libres dans les massifs fracturés même des topologies et des frontières complexes.(4) Le comportement hydromécanique des massifs avec une grande densité de fractures est étudié. Un modèle de comportement est proposé pour décrire les relations non linéaires entre la contrainte normale et la déformation normale, entre le glissement tangentiel et la dilatation normale.In this thesis, we have proposed a unified approach, based on the improved rigid body spring method (RBSM), for modeling the hydromechanical coupling in both intact and fractured rocks. The main contributions of the thesis are summarized as follows.(1) A mesoscopic model, based on the improved RBSM, is developed to account for the initial distribution of preexisting fractures, the whole process of initiation, propagation and coalescence of new cracks. The macroscopic deformation is due to the local deformation of interfaces between blocks.(2) A dual porosity model for seepage flow in rock mass is proposed, based on the discrete fracture network model and the permeability variation during rock fracturing is investigated.(3) The Variational Inequality (VI) formulation for seepage problem with free surface is extended to fracture networks both in 2D and 3D conditions. This formulation is in particular suitable to solve free surface problems in fracture networks even with very complex topology and boundaries.(4) By introducing a non-linear constitutive model for fractures, a hydromechanical coupling model is established for fracture networks. The governing mechanisms of hydromechanical coupling under different stress conditions are detected