Exploration des processus couplés thermo-hydro-mécaniques-chimiques (THMC) pendant le gonflement des roches argilo-sulfatées – ProSwell

Malgré leur importance dans les applications géotechniques et dans les processus géologiques, le comportement gonflant des roches est encore insuffisamment compris, alors que ses effets sont significatifs à l'échelle des projets d'ingénierie. Cette recherche collaborative combine les compétences expérimentales et de modélisation des partenaires français et allemands pour caractériser, comprendre et modéliser les effets macroscopiquement observables du gonflement des roches à partir de processus à la micro-échelle. Les recherches prévues se concentreront sur les roches argilo-gypseuses, pour lesquelles le gonflement de la phase argileuse et le gonflement chimique peuvent se produire ensemble et s'influencer mutuellement. Si l'augmentation de volume est empêchée, des pressions de gonflement élevées peuvent se produire. Les processus thermiques (T), hydrauliques (H), mécaniques (M) et chimiques (C) qui interviennent dans ce processus, et en particulier leur influence mutuelle (processus couplés THMC) ne sont pas encore suffisamment connus. Par conséquent, les projets de construction dans les roches argilo-gypseuses sont encore aujourd'hui sujets à des risques impondérables.

L'objectif principal de la recherche proposée est de générer des résultats expérimentaux qui caractérisent quantitativement le comportement de gonflement couplé THMC de roches argilo-gypseuses et de traduire ces résultats en équations constitutives utilisables dans des simulations numériques à l'échelle de la structure géologique. Pour atteindre les objectifs du projet, nous avons structuré la recherche proposée en quatre tâches. Les trois premières sont expérimentales et seront utilisées pour informer les modèles d'ingénierie développés dans la Tâche 4.

La Tâche 1 comprend la préparation des échantillons, c'est-à-dire des échantillons naturels de roches argilo-gypseuses (anhydrites). Nous caractériserons dans la Tâche 2 comment ces échantillons gonflent et leur perméabilité évolue lorsque l'eau les traverse. La Tâche 1 comprendra également la caractérisation des échantillons avant et après les expériences de gonflement de la Tâche 2, pour détecter les changements minéralogiques. Des analyses minéralogiques quantitatives (par diffraction aux rayons X, méthode de Rietveld et analyse sur lame mince) et de la composition chimique (par spectrométrie de fluorescence X) seront effectuées.

Pour comprendre et interpréter les processus à l'origine du comportement de gonflement macroscopiquement observable, une analyse d’image avancée des échantillons à plus petite échelle sera réalisée dans la Tâche 3. Nous utiliserons la microtomographie aux rayons X (XRCT) et l'imagerie par résonance magnétique (IRM) pour observer directement la structure des pores et l'écoulement des fluides et leurs évolutions au cours du gonflement. Ces expériences seront complétées par la microscopie électronique à balayage (MEB), la porosimétrie par intrusion de mercure (MIP) et, potentiellement, la cryoporométrie RMN. Les résultats nous permettront de dire où et quand le fluide s’écoule et le gonflement chimique se produit, et comment ces processus sont liés aux paramètres mécaniques (par exemple, densité/volume) et hydrauliques (ex., porosité, débit).

Les données recueillies dans les Tâches 1, 2 et 3 serviront de base pour le développement, l'étalonnage et la validation du modèle dans la Tâche 4. Les lois élastoplastiques de comportement THMC seront soit calibrées sur l'ensemble des données obtenues dans les Tâches 2 et 3 pour la roche testée, soit prédites par Transformée de Fourier Rapide à partir des observations microstructurales réalisées dans la Tâche 3. Ces lois de comportement seront implémentées dans deux codes éléments finis open-source permettant d'effectuer des calculs THMC (code Bil et OpenGeoSys couplé au calculateur géochimique PhreeqC ) et validées sur les expériences de gonflement par écoulement de la Tâche 2. Les deux approches numériques seront comparées entre elles.