COMPORTEMENT DES SOLS FINS UTILISES EN COUVERTURE ETANCHE DES INSTALLATIONS DE STOCKAGE DE DECHETS : APPROCHE EXPERIMENTALE ET NUMERIQUE Hà Lê Thi Ngoc To cite this version: Hà Lê Thi Ngoc. COMPORTEMENT DES SOLS FINS UTILISES EN COUVERTURE ETANCHE DES INSTALLATIONS DE STOCKAGE DE DECHETS : APPROCHE EXPERIMENTALE ET NU- MERIQUE. Sciences de l’ingénieur [physics]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2009.
�tel-00464516� HAL Id: tel-00464516 https://theses.science/tel-00464516 Submitted on 17 Mar 2010 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. The documents may come from émanant des établissements d’enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche français ou étrangers, des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou privés. THESE présentée à L’UNIVERSITE GRENOBLE I – JOSEPH FOURRIER Ecole doctorale Terre – Univers – Environnement pour obtenir le titre de DOCTEUR Spécialité : ʺSciences de la Terre, de l’Univers et de l’Environnementʺ préparée au Laboratoire Sols, Solides, Structures par LÊ Thị Ngọc Hà Sujet de thèse COMPORTEMENT DES SOLS FINS UTILISES EN COUVERTURE ETANCHE DES INSTALLATIONS DE STOCKAGE DE DECHETS : APPROCHE EXPERIMENTALE ET NUMERIQUE Encadrée par Pascal VILLARD et co - encadrée par Olivier PLE Soutenue au 27 novembre 2009 devant le jury M.
Jean‐Pierre GOURC Prof à l’UJF Grenoble Président M. Daniel LEVACHER Prof à l’Université de Caen Rapporteur M. Muzahim AL‐MUKHTAR Prof à l’Université d’Orléans Rapporteur M. Pascal VILLARD Prof à l’UJF Grenoble Examinateur M.
Olivier PLE Mdc à l’IUT1, UJF Grenoble Examinateur M. Albert MARCHIOL Andra Examinateur Remerciements Je tiens à exprimer tout d’abord mes remerciements aux membres du jury, qui ont accepté d’évaluer mon travail de thèse. Jean – Pierre Gourc, Professeur des universités de l’Université Joseph Fourrier Grenoble 1, d’avoir accepté de présider le jury de cette thèse, et à MM. les Professeurs Daniel Levacher de l’Université de Caen, et Muzahim Al-Mukhtar de l’Université d’Orléans d’avoir accepté d’être les rapporteurs de ce manuscrit.
Leurs remarques et suggestions lors de la lecture de mon rapport m’ont permis d’apporter des améliorations à la qualité de ce dernier. Albert Marchiol de l’Andra pour avoir accepté d’examiner mon mémoire et de faire partie de mon jury de thèse. Je tiens à remercier Olivier Plé, dont l’aide sur le plan expérimental et sa gentillesse ont permis de mener à bout cette thèse. Son soutien s’est avéré déterminant pour mener ce travail à terme.
Merci à Pascal Villard, pour avoir accepté de diriger cette thèse et dont l’aide précieuse m’a été indispensable sur le plan numérique. Je tiens également à le remercier pour la confiance et la sympathie qu’il m’a témoignées au cours de ces trois années de thèse. Je tiens à remercier l’équipe des techniciens de l’IUT1 et particulièrement Alain Pétrone pour la patience et la disposition lors de mes journées expérimentales dans leurs locaux. Je tiens enfin à remercier les amis, thésards ou non qui m’ont aidé au cours des trois ans de cette thèse : Christophe, Bastien, Lucille, Phuong-Anh, Hai-Thanh, Luc et Muntsa, Cédric D., Rachel, Nadège, Hong-Thai, Duy-Chau, Zihui, Quan-Son, Benoît, Lionel et les autres que je ne peux pas tous citer ici, pour leurs tous premiers cours français pratiques, leurs gentillesses, leurs qualités d’humour, leurs patiences pour une petite vietnamienne, les soirées, les cours de skis, les sorties, les moments inoubliables.
Je n’oublie pas non plus les amis, de loin géographiquement mais proches mentalement, qui m’ont toujours encouragée pendant mes séjours en France. Je les envoie mes sincères pensées. Un remerciement particulier pour l’équipe franco – vietnamienne qui a contribué à la préparation de mon pot de soutenance bien apprécié et attiré une centaine de personnes à 17h, le 27 novembre 2009. Finalement j’adresse un grand merci à toute ma famille qui a toujours été de mon coté lors des hauts et des bas tout au long de la thèse en particulier à mon frère, à mon père et à ma mère.viii Introduction générale.
Introduction et problématique. Généralités sur les centres de stockage de déchets. Centre de stockage de déchets classe I : déchets dangereux. Centre de stockage de déchets de classe II : déchets non dangereux (ménagers et assimilés).
Centre de stockage de déchets de classe III : déchets inertes. Les déchets radioactifs. Classification des déchets radioactifs. Gestion des déchets radioactifs.
Barrière de fond. Présentation des installations principales de stockage en France. Problèmes rencontrés par la couverture. Etudes des sols fins.
Etudes des caractéristiques physiques des argiles. Paramètres de nature. Mise en œuvre des sols fins. Etudes des caractéristiques mécaniques des argiles.
Le rôle de la teneur en eau. Caractéristiques physiques du sol testé. Etude du compactage. Préparation des éprouvettes.
Etude du compactage. Essai de compression simple. Essai de traction. Courbes enveloppes en contraintes totales.
Effet d’un renforcement sur une argile en CSD. Analyse pic et post-pic. Conclusion et remarques. Expérience de soulèvement in situ.
Expérimentation en vraie grandeur sur site. Description des essais. Analyse des résultats des planches d’essai. Conclusion sur les essais en vraie grandeur sur site.
101 Partie II : Modélisation numérique. Modélisation numérique par la méthode des éléments discrets. Méthode des éléments discrets. Loi de mouvement.
Loi de contact des particules. Procédures numériques spécifiques à la MED. Mise en place des particules. Simulation d’un essai de compression simple.
Simulation d’un essai biaxial. Simulation d’un essai de traction directe. Obtention d’un critère de rupture. Calibration sur matériaux pulvérulents et cohésifs.
Paramétrage du comportement d’un milieu pulvérulent. Influence de l’angle de frottement microscopique sur le comportement macroscopique du matériau. Influence de l’agencement initial des particules sur le comportement macroscopique du matériau. Détermination des paramètres du matériau granulaire pulvérulent de l’expérimentation en vraie grandeur.
Paramétrage du comportement d’un matériau cohérent. Influence des paramètres d’adhésion sur le comportement macroscopique. Adaptation des lois de contact. Détermination des paramètres du matériau cohésif de l’expérimentation en vraie grandeur.
Application de la modélisation numérique aux essais en vraie grandeur. Description de l’essai numérique. Discussion et comparaison entre les résultats numériques et expérimentaux 151 8. Initiation des fissures.
Modes de propagation de la fissuration. Effort de soulèvement .I - iii - - iv - Résumé L’étude du comportement de l’argile de l’Aptien, utilisée en couverture d’étanchéité des ISD, proche de la saturation et soumise à la flexion et au cisaillement est principalement traitée dans le cadre de ce travail. Des expériences conventionnelles (compression simple, essais triaxiaux) et non conventionnelles (traction directe, essais brésiliens) en laboratoire ont été réalisées pour déterminer les paramètres importants. Une amélioration du comportement mécanique de l’argile par l’addition de fibres de différentes natures a été envisagée.
Les résultats ont été interprétés afin d’optimiser la mise en œuvre des matériaux. Cependant, les expériences en laboratoire ne sont pas suffisantes et dans certain cas particulièrement difficile à conduire ce qui explique que parfois elles peuvent être sujettes à caution. Une modélisation numérique a donc été envisagée. La méthode des éléments discrets a été utilisée.
Elle permet de reproduire le comportement mécanique des matériaux granulaires et cohésifs de l’échelle du laboratoire à l’échelle de l’ouvrage ou d’une partie de l’ouvrage. Une attention particulière a été portée à la modélisation de l’argile qui peut être soumise simultanément à de la traction et de la compression. La microstructure du matériau argileux n’a pas été reproduite mais modélisée par un assemble des particules en interaction. Plusieurs lois de contact ont été utilisées.
L’influence des paramètres microscopiques du modèle sur le comportement macroscopique des échantillons numériques a été étudiée. Une extension de ces résultats à la modélisation d’un essai de soulèvement en vraie grandeur in situ a été réalisée. Il s’agit là d’une première réponse au comportement réel de la couverture argileuse du site. Mots clés : argile, compactage, teneur en eau, essais triaxiaux, compression simple, essais de traction directe, éléments discrets, essais de soulèvement, milieu granulaire, milieu cohésif.
- iv - -v- Abstract The behaviour of the Aptienese clay close to water saturation, which is used for landfill cap cover, is studied in the framework of this thesis. Standard experiments (uniaxial compression and triaxial compression tests) and non usual tests (direct tensile tests and splitting tests) were carried out to determine the major parameters. An improvement of the mechanical behaviour of clay by the addition of different kind of fibres is considered. The results were interpreted in order to optimize the set up of materials and especially the clay layer.
However, experiments in laboratory are not sufficient and in certain case particularly difficult to lead and interpreted. A numerical modelling was thus considered. The method of the discrete elements was used. It makes it possible to reproduce the mechanical behaviour of granular and cohesive materials in the range of a laboratory scale to a large scale (in-situ tests).
A special attention was paid to the modelling of the clay which can be subjected simultaneously to tensile tests and compressive tests. The microstructure of argillaceous material was not reproduced but modelled by an assembly of particles in interaction. Several laws of contact were used. The influence of the microscopic parameters on the macroscopic behaviour of the numerical samples was studied.
An application of these results to the simulation of a large rising test was carried out. This work is a first answer to the real mechanical behaviour of a clay barrier used in landfill cap cover application. Key words: clay, compaction, water content, uniaxial and triaxial compression tests, direct tensile tests, discrete elements method, in-situ tests, granular medium, cohesive medium. - vi - - vii - Tóm tắt Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi nghiên cứu sự làm việc của đất sét vùng Aptien ở trạng thái sắp bão hòa nước, ứng dụng trong xây dựng nắp đậy chống thấm của các trung tâm lưu chứa rác thải ít phóng xạ.
Các thí nghiệm tiêu chuẩn (nén một trục, nén ba trục), các thí nghiệm kéo trực tiếp và thí nghiệm uốn được thực hiện trên đất sét trong phòng thí nghiệm, nhằm mục đích xác định những thông số quan trọng trong ứng xử cơ học của đất sét. Đồng thời, biện pháp cải tạo nâng cao tính năng cơ học của đất sét bằng việc gia cố các loại sợi khác nhau cũng được nghiên cứu. Các kết quả thí nghiệm được xử lý và khai thác nhằm mục đích hoàn thiện hóa các điều kiện thi công đất sét và xây dựng nắp đậy trên công trường. Tuy nhiên, kết quả thu được chưa mô tả đầy đủ sự làm việc cơ học của đất sét và một số thí nghiệm rất khó thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm.
Vì vậy phương pháp mô hình số hóa trong phòng thí nghiệm đã được ứng dụng để giải quyết vấn đề này. Trong đề tài này, chúng tôi đã sử dụng phương pháp mô phỏng bằng các phần tử rời rạc. Phương pháp này cho phép mô phỏng lại sự làm việc cơ học của môi trường rời rạc (hạt thô) cũng như môi trường dính (hạt mịn) trên cả kích thước mẫu thí nghiệm cũng như kích thước thực của công trình. Chúng tôi tập trung vào việc nghiên cứu sự làm việc của nắp đậy đất sét chịu uốn (kéo và nén đồng thời) và cắt gây ra do sự lún của rác thải phía dưới công trình.
Cấu trúc vi mô của đất sét được mô hình hóa bởi tập hợp các phần tử có tương tác với nhau. Các qui luật tương tác phần tử được sử dụng và trình bày trong báo cáo.