Étude multi-échelle de la déformation localisée autour des forages et galeries dans les roches hétérogènes et anisotropes // multiscale investigation of localized deformation around boreholes and galleries in heterogeneous and anisotropic rocks

Topic description

Ce projet de doctorat vise à étudier l'initiation et l'évolution de la déformation localisée autour des excavations souterraines dans des roches poreuses hétérogènes et anisotropes, un enjeu clé pour la stabilité et l'intégrité des forages profonds et des galeries dans le contexte de la transition énergétique. Les excavations profondes dans les formations naturelles induisent des redistributions de contraintes tridimensionnelles complexes, et les modes de localisation de la déformation qui en résultent dépendent fortement des chemins de chargement multiaxiaux, ainsi que de l'anisotropie et de l'hétérogénéité naturelles de la roche. Malgré leur importance pour les applications d'ingénierie, ces conditions in situ restent insuffisamment représentées dans les ensembles de données expérimentales existants et ne sont que partiellement prises en compte dans les approches de modélisation actuelles.
Sur le plan expérimental, le projet proposé combinera des essais triaxiaux vrais particulièrement innovants sur des éprouvettes prismatiques de grès creuses, avec un dispositif d'imagerie in operando permettant de suivre l'apparition et la propagation de la déformation localisée lors d'une dépressurisation contrôlée de la cavité. Une évaluation systématique de la polarisation du champ de contraintes, de l'endommagement près de la cavité, de la transition vers la localisation, ainsi que des effets de l'anisotropie et de l'hétérogénéité du matériau sous des chemins de contraintes représentatifs des conditions d'excavation, permettra d'obtenir un ensemble de données expérimentales inédit.
Du point de vue numérique, l'étude commencera par comparer des modèles classiques d'éléments finis élastoplastiques aux résultats expérimentaux et évaluera la capacité des lois de comportement classiques à reproduire la réponse de la roche lors d'une dépressurisation de cavité sous chargement multiaxial. Une seconde composante, multi-échelle, s'appuiera sur un modèle hiérarchique FEM×DEM intégrant les mécanismes à l'échelle du grain (perte de cohésion, fragmentation des grains, réarrangement du réseau granulaire) et des distributions d'hétérogénéité contrôlées. L'étude numérique apportera de nouvelles perspectives sur la capacité des modèles multi-échelles avancés à reproduire les mécanismes gouvernant le développement des dommages autour des excavations profondes. Cette étude apportera également une méthodologie alternative afin réaliser des modèles prédictifs capables de prendre en compte des chemins de contraintes réalistes et la complexité microstructurale.
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This PhD project aims to investigate the initiation and evolution of localized deformation around underground excavations in heterogeneous and anisotropic porous rocks, a key issue for the stability and integrity of deep boreholes and galleries in the context of the energy transition. Deep excavations in natural formations induce complex three-dimensional stress redistributions, and the resulting strain localization patterns depend strongly on multi-axial loading paths, as well as on natural rock anisotropy and heterogeneity. Despite their importance for engineering applications, these in-situ conditions remain insufficiently represented in existing laboratory datasets and are only partially accounted for in current modelling approaches.
On the experimental side, the proposed project will combine highly innovative true-triaxial testing on hollow prismatic sandstone specimens with in-operando full-field imaging to monitor the emergence and propagation of localized deformation during controlled cavity depressurization. A systematic evaluation of stress-field polarization, near-cavity damage and localization transition, and the effects of material anisotropy and heterogeneity under realistic excavation stress paths will yield an unprecedented experimental dataset.
Numerically, the study will first benchmark classical elasto-plastic FEM models against the experimental results and assess the performance of classical constitutive laws in capturing the rock response during cavity depressurization under multi-axial loading. A second, multi-scale component will employ a hierarchical FEM×DEM framework that incorporates grain-scale mechanisms (cohesion loss, grain breakage, granular network rearrangement) and controlled heterogeneity distributions. The numerical study will provide new insights into the capabilities for advanced multi-scale models to capture the mechanisms governing damage development around deep excavations and support the development of predictive models, capable of accounting for realistic stress paths and microstructural complexity.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

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