Etude expérimentale du comportement thermo-hydro-mécanique de l’argilite du Callovo-Oxfordien

Durant les différentes phases du stockage profond des déchets radio-actifs exothermiques depuis l’excavation, l’exploitation et après la fermeture permanente, la roche hôte est soumise à différentes sollicitations mécaniques, hydriques et thermiques couplées. Afin de connaître et de modéliser le comportement à court et long terme des dispositifs de stockage au sein de la formations argileuse du Callovo Oxfordien du site de Bure (Meuse/Haute-Marne – M/H-M) considérée par l’ANDRA comme une roche hôte potentielle en France, une investigation approfondie des paramètres intrinsèques de la roche est nécessaire afin de compléter les données existantes, particulièrement rares pour les aspects thermo-hydro-mécaniques dans le cas des argilites en général et de celle du Callovo-Oxfordien en particulier. Les aspects thermo-hydro-mécaniques à considérer concernent d’une part les effets de la température sur le comportement intrinsèque de l’argilite et d’autre part le phénomène de pressurisation thermique engendré par la faible perméabilité de l’argilite et par le fait que le coefficient de dilatation thermique de l’eau est significativement plus élevé que celui de la phase solide. En diminuant la contrainte effective, la pressurisation thermique est susceptible d’engendrer des instabilités de cisaillement ou liées à la fracturation hydraulique. Une meilleure compréhension de ces aspects permettra de mieux fonder la compréhension et la modélisation des différents phénomènes intervenant dans le champ proche lors de la phase thermique du stockage.

Cette thèse, développée en relation avec les travaux du Groupement de Laboratoires Géomécanique de l’ANDRA, présente une étude de la caractérisation expérimentale du comportement thermo-hydro-mécanique des argilites du COx (Bure), basée en grande partie sur le développement, en parallèle avec le projet Européen TIMODAZ, d’une cellule triaxiale à cylindre creux (diamètre extérieur 100 mm, diamètre intérieur 60 mm) d’un type nouveau. Grâce à un chemin de drainage radial réduit à la demie épaisseur du cylindre (10 mm), cette cellule permet d’optimiser la procédure de saturation préalable de l’éprouvette (sous contraintes in situ) et de mieux maîtriser les conditions de drainage, deux points particulièrement délicats dans l’étude du comportement hydro-mécanique et thermo-hydromécanique des argilites très peu poreuses et très peu perméables. En parallèle avec la mise en oeuvre de cette cellule, un programme expérimental a été entrepris à l’aide de deux autres dispositifs à faible chemins de drainage (hauteur des éprouvettes, soit 10 mm), un oedomètre haute pression et une cellule de compression isotrope thermique haute pression.

Les roches profondes sont considérées comme barrières géologiques potentielles pour le stockage des déchets radioactifs exothermiques à haute activité et à vie longue dans plusieurs pays dont la France (argilite du Callovo-Oxfordien), la Belgique (argile de Boom), la Suisse (argilite d’Opalinus), le Canada, le Japon, l’Espagne et l’Allemagne (granite).

Le laboratoire de recherche souterrain de site de Meuse/Haute-Marne (Figure 1-1) de l’ANDRA situé au Nord-Est de la France est composé des galeries excavées à une profondeur de 445 m et de 490 m sous la surface au milieu d’une couche sub-horizontales (≈1°-1,5°) d’argilites du Callovo-Oxfordien (COx) qui est datée de 155 millions d’années (la limite Jurassique moyen-supérieur). Cette couche de 200m d’épaisseur est située entre deux couches de plusieurs centaines de mètres d’épaisseur de Dogger calcaire et Oxfordien calcaires .

L’argilite du COx se caractérise par une très faible conductivité hydraulique qui limite le transfert de l’eau et par un faible coefficient de diffusion qui retarde considérablement le transport de solutés. L’argilite a également un faible déformabilité et une forte capacité d’absorption des radionucléides ; ces propriétés avantageuses en font une roche-hôte potentielle pour le stockage des déchets radioactifs à haute activité à grande profondeur.

Pendant la phase d’excavation (de 2017 à 2025 ans) trois sources d’endommagement interviennent : premièrement, l’endommagement dû à la méthode d’excavation et au séchage de la paroi excavée ; deuxièmement les changements mécaniques provoqués par une redistribution des contraintes autour de l’ouverture après l’excavation ; troisièmement les effets de la pression sur la déformation des roches dus à la mise en place du soutènement.

La redistribution des contraintes entraîne des compressions déviatoriques ou des tractions fortement anisotropes, ce qui cause (a) des fracturations de traction et de cisaillement le long des plans de stratification et (b) des fracturations dues à l’extension verticale ou à la rupture en traction dans la roche près des parois latérales. En l’absence d’auto-colmatage, la perméabilité de l’EDZ peut devenir environ 6 fois plus grande que la perméabilité de la roche intacte (Tsang et al., 2005).

Une fois la galerie construite, l’EDZ évolue encore pendant la phase d’excavation (de 2025 à 2125 ans) sous de nouvelles conditions de contrainte-déformation et d’hygrométrie du fait du séchage engendré par la ventilation des galeries avant le placement des déchets. Pendant cette phase également le soutènement peut être installé et des méthodes d’arrêt de l’évolution de l’EDZ peuvent être réalisées. La ventilation réduit l’humidité de la galerie et déshydrate le champ proche ; la déshydratation de l’argilite en augmente la rigidité alors qu’elle cause également une contraction et des fractions en traction. Cette ventilation augmente la succion, affecte les propriétés de fluage de l’argilite et retarde le l’auto-colmatage. L’entrée d’air dans la roche peut créer une condition d’oxydation qui peut induire les activités chimique et biologique, en particulier par l’oxydation des pyrites.