Published October 26, 2023 | Version v1
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Time-dependent Hydromechanical Behaviour of Callovo-Oxfordian Claystone by Analytical and Multiscale Numerical Methods

Description

In the context of radioactive waste repository, the time-dependent hydromechanical behaviour of the Callovo-Oxfordian (COx) claystone is investigated to ensure the safety conditions required for long-term repository of radioactive wastes.The first two parts of the study are based on the phenomenological approach carried out directly at the macroscale. Firstly, a quasi-analytical model for the hydromechanical behaviour of a deep spherical cavity excavated in a dilatant poro-viscoplastic rock mass is presented, considering three stages of a simplified life cycle: excavation, free convergence and post-closure. Subsequently, the sensitive and probability analyses are carried out using the finite element code Cast3M to investigate the time-dependent extent of the Excavation Damaged Zone (EDZ) which refers to a region characterized by significant and mainly irreversible changes in geochemical and hydromechanical properties. In the following, a multiscale numerical approach is employed to investigate its creep and damage behaviour under mechanical condition. Firstly, a micromechanics-based model within the finite element square (FE2) framework is developed to model the short-term and long-term behaviours of saturated COx claystone. For the viscous behaviour, two microscale mechanisms have been introduced: the viscoplasticity of the clay aggregates and the viscoelasticity of their contacts. Then, the creep model of COx claystones developed at small scale is applied to model the large-scale creep behaviour at laboratory and gallery scales. From simulation results of laboratory scale, a clear three-stage creep process is reproduced, including the primary creep stage, second creep stage and tertiary creep stage. At the gallery scale, the long-term effect of viscosity on the gallery convergences, the evolution of EDZ, and the long-term drainage and pore pressure around a gallery are investigated. Finally, the above developed double-scale creep model used to simulate saturated cracked medium is extend to partial saturated case to study the interaction between rock and the atmosphere occurs through air circulation within underground galleries. The emphasis is to study the effect of the gallery air ventilation on hydromechanical behaviour of host rock. The model predictions reproduce the drainage and desaturation kinetics of undisturbed and damaged rock. (author)

Abstract (French)

Dans le contexte du stockage geologique profond des dechets radioactifs, le comportement hydromecanique differe de l'argilite du Callovo-Oxfordien (COx) est etudie afin d'assurer les conditions de surete requises pour un stockage a long terme de dechets radioactifs. La premiere partie de l'etude s'appuie sur une approche phenomenologique menee directement a l'echelle macroscopique du materiaux rocheux et des ouvrages souterrains. Dans un premier temps, un modele quasi-analytique du comportement hydromecanique d'une cavite spherique profonde creusee dans un massif rocheux dilatant poro-viscoplastique est presente. Cette modelisation considere trois etapes d'un cycle de vie simplifie de l'ouvrage souterrain: excavation, convergence libre et comportement post-fermeture. Ensuite, le developpement, l'extension et l'evolution de la zone rocheuse endommagee par l'excavation (EDZ, Excavation Damaged Zone) sont etudies a l'aide d'un code aux elements finis. Cette zone endommagee fait reference a une region caracterisee par des changements importants et pour la plupart irreversibles des proprietes geochimiques et hydromecaniques de la roche. Des analyses de sensibilite et de probabilite sont aussi effectuees pour etudier l'evolution de l'etendue au cours du temps de l'EDZ. Dans la deuxieme partie de l'etude, une approche numerique multi-echelles est utilisee pour etudier les effets de fluage et d'endommagement sur le comportement mecanique. Tout d'abord, un modele base sur la micromecanique, dans le cadre de modelisation de type elements finis au carre (EF"2), est developpe pour modeliser le comportement a long terme de l'argilite du Callovo-Oxfordien. Pour simuler les effets visqueux de la matrice argileuse, deux mecanismes a l'echelle microscopique ont ete introduits: la viscoplasticite des agregats d'argile et la viscoelasticite de leurs contacts. Ensuite, le modele de comportement de l'argilite du Callovo-Oxfordien developpe a petite echelle est applique pour modeliser le comportement de fluage a grande echelle, c'est-a-dire a l'echelle du laboratoire et des galeries souterraines. A partir des resultats de simulations a l'echelle du laboratoire, un processus de fluage en trois etapes est reproduit. Il comprend les etapes de fluage primaire, secondaire et tertiaire. A l'echelle des galeries souterraines, l'effet a long terme de la viscosite est etudie sur l'evolution des convergences des galeries et de l'EDZ. Le drainage a long terme et l'evolution de la pression d'eau interstitielle autour d'une galerie sont aussi etudies. Enfin, le modele de fluage a double echelle qui a ete developpe et utilise pour simuler le comportement de fluage d'une roche fissuree saturee en eau est etendu au cas partiellement sature. L'objectif est d'etudier l'interaction hydrique entre la roche autour des galeries souterraines et l'air a l'interieur de celles-ci qui se produit lorsqu'il y a une circulation d'air humide dans les galeries. Les predictions du modele reproduisent la cinetique de drainage et de desaturation des roches saines et endommagees. (auteur)

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Original title (English)
Comportement hydromecanique differe de l'argile du callovo-oxfordien par methodes analytiques et numeriques multi-echelles

Publishing Information

Imprint Pagination
229 p.
Report number
FRNC-TH--16301

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Notes
[200 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses