Multi-scale modelling of the hydro-mechanical behaviour of argillaceous rocks
Description
Feasibility studies for deep geological radioactive waste disposal facilities have led to an increased interest in the geomechanical modelling of its host rock. In France, a potential host rock is the Callovo-Oxfordian clay-stone. The low permeability of this material is of key importance, as the principle of deep geological disposal strongly relies on the sealing capacity of the host formation. The permeability being coupled to the mechanical material state, hydro-mechanical coupled behaviour of the clay-stone becomes important when mechanical alterations are induced by gallery excavation in the so-called excavation damaged zone (EDZ). In materials with microstructure such as the Callovo-Oxfordian clay-stone, the macroscopic behaviour has its origin in the interaction of its micromechanical constituents. In addition to the coupling between hydraulic and mechanical behaviour, a coupling between the micro (material microstructure) and macro scale will be made. By means of the development of a framework of computational homogenization for hydro-mechanical coupling, a double-scale modelling approach is formulated, for which the macro-scale constitutive relations are derived from the microscale by homogenization. An existing model for the modelling of hydro-mechanical coupling based on the distinct definition of grains and intergranular pore space is adopted and modified to enable the application of first order computational homogenization for obtaining macro-scale stress and fluid transport responses. This model is used to constitute a periodic representative elementary volume (REV) that allows the representation of the local macroscopic behaviour of the clay-stone. As a response to deformation loading, the behaviour of the REV represents the numerical equivalent of a constitutive relation at the macro-scale. For the required consistent tangent operators, the framework of computational homogenization by static condensation is extended to hydro-mechanical coupling. The theoretical developments of this extension are implemented in the finite element code Lagamine (Liege) as an independent constitutive relation. For the modelling of localization of deformation, which in classical FE methods suffers from the well-known mesh dependency, the double-scale approach of hydro-mechanical coupling is combined with a local second gradient model to control the internal length scale of localized deformation. By accepting the periodic boundary conditions as a regularization of the microscale deformation, the use of the multi-scale model in combination with the local second gradient model can be used for modelling localization phenomena in HM-coupled settings with material softening. The modelling capacities of the approach are demonstrated by means of simulations of odometer tests and biaxial compression tests. The approach is demonstrated to be a powerful way to model anisotropy in the mechanical as well as the hydraulic behaviour of the material both in the initial material state and as an effect of hydro-mechanical alterations. For the application to the modelling of Callovo-Oxfordian clay-stone, microstructural REVs are calibrated to geometrical characteristics of the inclusion that form the microstructure under consideration and to macro-scale experimental results of the mechanical behaviour. The calibrated constitutive relation is used in the simulation of gallery excavation processes. These computations give a proof of concept of the double-scale assessment of the hydro-mechanical behaviour of the excavation damaged zones around galleries in the context of nuclear waste disposal. (author)
Abstract (French)
Les etudes de faisabilite concernant le stockage geologique profond des dechets radioactifs ont conduit un interet accru concernant la modelisation geomecanique de la roche hte. En France, une roche hte potentielle est l'argilite du Callovo- Oxfordien du site de Meuse/Haute Marne. Etant donne que le principe de stockage geologique profond repose fortement sur la capacite de confinement de la formation hte, sa faible permeabilite est d'une importance cle. La permeabilite etant dependante de la microstructure du materiau et de son evolution sous chargement, le comportement couple hydro-mecanique de l'argilite est important. En effet, des modifications mecaniques sont induites par le creusement de la galerie d'entreposage, generant une zone endommagee (EDZ), pouvant conduire une modification de la permeabilite dans le voisinage de la galerie. Dans les materiaux microstructure complexe comme l'argilite du Callovo- Oxfordien, le comportement macroscopique trouve son origine dans l'interaction des constituants micro-mecaniques. En plus du couplage entre le comportement hydraulique et mecanique, un couplage entre les echelles micro (au niveau de la microstructure) et macro existe. Par le biais de l'elaboration d'un cadre d'homogeneisation du couplage hydro-mecanique, une approche de modelisation deux echelles est developpee dans ce travail, dans laquelle la relation constitutive macroscopique decoule directement du comportement a l'echelle microscopique. Un modele existant du couplage hydro-mecanique, reposant sur l'identification de grains et d'espaces poreux intergranulaires a l'echelle micro est adopte comme point de depart. Ce modele repose sur une homogeneisation numerique du comportement a la petite echelle afin d'obtenir a l'echelle macroscopique la reponse en contrainte et de transport du fluide interstitiel. Ce modele est base sur un volume elementaire representatif (VER) periodique qui permet de deduire le comportement macroscopique local de l'argilite. En reponse, en un point d'integration macro donne, a un increment de la deformation et du gradient de pression, la reponse du VER permet d'exprimer l'increment de contrainte et de flux associe, constituant de fait un equivalent numerique de la relation constitutive. Les problemes aux conditions limites macro et micro sont traites simultanement par la methode element fini. Pour obtenir les operateurs tangents consistants a l'echelle macro, la methode d'homogeneisation par condensation statique des operateurs tangeants micro est etendu au cas avec couplage hydro-mecanique. L'implementation du modele double echelle et la mise en oeuvre des developpements theoriques d'homogeneisation ont ete effectues dans le code element fini Lagamine (Universite de Liege). Pour la modelisation de la localisation de la deformation a l'echelle macro, qui, dans un formalisme de milieu continu classique, souffre de la dependance au maillage, l'approche double-echelle a ete utilisee dans un formalisme de milieu enrichi de type milieu de second gradient pour materiau poreux sature. Ceci permet d'introduire une echelle de longueur interne, regularisant ainsi le probleme de localisation de la deformation (objectivite vis-a-vis du maillage). Les capacites du modele homogeneise numeriquement, utilise dans un cadre de milieu de second gradient, sont ensuite demontrees par des simulations d'essais dometriques et d'essais de compression biaxiaux. L'approche se confirme etre un moyen puissant pour modeliser l'anisotropie initiale et induite du comportement mecanique et du comportement hydraulique. Pour la modelisation du comportement de l'argilite du Callovo-Oxfordien, des VER sont construits en tenant compte des travaux de caracterisation de la geometrie des inclusions microscopiques et des resultats experimentaux d'essais macroscopiques sur le comportement hydro-mecanique. La loi de comportement homogeneisee numeriquement ainsi calibree est utilisee dans des simulations de creusement de galerie jusqu'a des niveaux d'endommagement generant une localisation de la deformation. Ces calculs montrent a la fois la pertinence et l'applicabilite du concept double echelle pour l'evaluation du comportement hydro-mecanique des zones endommagees autour des galeries dans un contexte du stockage des dechets radioactifs. (auteur)
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Additional details
Additional titles
- Original title (English)
- Modelisation multi-echelle du comportement hydromecanique des roches argileuses
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 298 p.
- Report number
- FRNC-TH--9988
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 49041916
- Subject category
- S36: MATERIALS SCIENCE; S12: MANAGEMENT OF RADIOACTIVE WASTES, AND NON-RADIOACTIVE WASTES FROM NUCLEAR FACILITIES;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ANISOTROPY; ARGILLITE; COMPRESSION STRENGTH; COMPUTERIZED SIMULATION; CONVERGENCE; DIFFUSION; ELASTICITY; FINITE ELEMENT METHOD; FLOW MODELS; HOMOGENIZATION METHODS; MICROSTRUCTURE; PERMEABILITY; ROCK MECHANICS; ROCK-FLUID INTERACTIONS; SHAFT EXCAVATIONS; STRAINS; TUNNELS
- Descriptors DEC
- CALCULATION METHODS; MATHEMATICAL MODELS; MATHEMATICAL SOLUTIONS; MECHANICAL PROPERTIES; MECHANICS; NUMERICAL SOLUTION; PHYSICAL PROPERTIES; ROCKS; SEDIMENTARY ROCKS; SHALES; SIMULATION; UNDERGROUND FACILITIES
Optional Information
- Notes
- 122 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses