Évaluation de la stabilité à long terme des ouvrages souterrains avec la prise en compte des incertitudes et de la variabilité des propriétés des roches

This dissertation aims to evaluate the exceedance probability at the long-term of the concrete lining of deep tunnels by considering the uncertainty of the time-dependent behavior of the host rock. To this purpose, an extension/modification of the reliability analysis technique using the Kriging-based metamodel was carried out. The performance and the efficiency of this metamodel compared to the classical Monte-Carlo Simulation(MCS) method were demonstrated in the context of a sequential construction of a deep tunnel in a linear viscoelastic rock. The metamodel is then applied to analyze the stability of the concrete lining of a gallery during a 100-years period of exploitation that is built in the layer of Callovo-Oxfordian (COx) claystone - the geological formation chosen for the deep nuclear waste disposal in France (Andra). By analyzing the raw database from creep tests performed at Andra, we not only found a significant uncertainty and cross-correlation of the Lemaitre model’s parameters but also developed an adopted viscoplastic model to characterize the creep behavior of COx rock. The reliability analysis exhibited that the long-term stability of concrete inner liner has been affected by the host rock properties' uncertainty and the great benefit of the compressible layer. According to these studies, the stability can be determined as a function of the compressibility and/or the thickness of the compressible layer. Moreover, the spatial variability of themechanical properties of the host rock was also undertaken. To deal with the high dimensional problemassociated with the discretization of the random fields, an adaptation of the Cut-HDMR method combined with the Kriging-based metamodeling technique was proposed in this study. The applicability of this methodwas then tested through numerical applications.Ce travail de thèse vise à évaluer la probabilité de défaillance à long terme du revêtement en béton des tunnels profonds en considérant l’incertitude des paramètres du comportement différé de la roche hôte. Pour cela, une extension/modification de la technique d’analyse fiabiliste par le métamodèle de Krigeage a été d’abord mise en place. La performance et l’efficacité de ce métamodèle modifié en comparant avec la méthode classique MCS a été démontrée dans le cadre d’une construction séquentielle d’un tunnel profond dans une roche viscoélastique. Ce métamodèle de Krigeage est ensuite appliqué pour analyser la stabilité pendant la période d’exploitation de 100 ans du revêtement en béton d’une galerie construite dans la couche argileuse de Callovo-Oxfordien (COx), la formation géologique choisie pour le stockage profond des déchets radioactifs en France. La quantification des incertitudes et des corrélations des paramètres du modèle de Lemaitre pour la roche hôte a été réalisée en utilisant les résultats des essais de fluage au laboratoire. Le soutènement de la galerie étudiée est compressible et son comportement décrit par un modèle élastique tri-linéaire. Les résultats montrent l’impact des incertitudes des propriétés de la roche hôte et un grand avantage du voussoir compressible sur la stabilité à long terme du revêtement en béton. Selon ces études, la stabilité à 100 ans du revêtement est considérablement augmentée en fonction de la compressibilité et/ou de l’épaisseur de la couche compressible du système de support de la galerie. Une considération de la variabilité spatiale des propriétés mécaniques de la roche hôte a aussi été effectuée. Pour traiter le problème de grandes dimensions, associé à la discrétisation des champs aléatoires, une adaptation de la méthode Cut-HDMR combinée avec la métamodélisation de Krigeage a été proposée dans cette étude et a été ensuite testée à travers des applications numériques