Hydro-mechanical behavior of claystone-based backfill materials under geo-environmental conditions - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2020

Hydro-mechanical behavior of claystone-based backfill materials under geo-environmental conditions

Comportement hydromécanique des matériaux à remblai à base d’argile dans les conditions géoenvironnementales

Abstract

In the context of the Cigéo-project, the French agency in charge of radioactive waste manage-ment (Andra) studies claystone-based materials as to whether they can be potentially used to backfill shafts and drifts of the future repository for intermediate - and high-level radioactive waste located in the clay-rich Callovo-Oxfordian (COX) sedimentary rock formation at a depth of around 500 m. The installation of backfill in shafts and drifts generally aims to ensure the integrity of the repository system upon its closure. In particular, it is installed to stabilize the geo-logical formation and to limit the propagation of the damaged/ disturbed zone evolving around the excavations. Potential backfill materials must thus sustain the overburden pressure and ex-hibit swelling pressure when they saturate under constant-volume conditions. In addition, the closure of hydraulic conductive voids ensues through the swelling under con-stant-volume con-ditions. Crushed and sieved COX-claystone spoil and its mixtures with MX80-bentonite are po-tential backfill materials as they contain smectite, which typically exhibits such a hydro-mechanical behavior. On account of the fraction of smectite, potential backfill materials and their hydro-mechanical behavior are affected by different geo-environmental conditions. In this laboratory experimental study, it is of general interest to analyze how variations in geo-environmental conditions affect the performance of potential claystone-based backfill materials, in particular their volume change and hydraulic conductivity behavior. Relevant geo-environmental conditions are the fraction of smectite in the materials, the maximum grain di-ameter of the bentonite fraction in the mixture, the as-compacted/ initial dry density, the degree of saturation, the saturating solution chemistry, in particular its pH, and their combinations. Var-iations in the as-compacted/ initial dry density are expected to be of greatest relevance as con-ventional compaction techniques might be employed to compact the backfill material in-situ. The hydro-mechanical behavior of processed COX-claystone spoil and its mixture with MX80-bentonite are analyzed by means of constant-volume swelling pressure, free-swell potential, one-dimensional compression/ oedometer and constant-head hydraulic conductivity experi-ments. Initially, it is evaluated how the fraction of smectite in the materials, the maxi-mum grain diameter of the bentonite fraction, the initial dry density and the saturating solution chemistry affect individually and combined the evolution of the swelling pressure of claystone-based backfill materials. The individual and combined impact of the fraction of smectite in the materi-als as well as of the saturating solution chemistry on the evolution of the hydraulic conductivity are subsequently assessed. In order to analyze the impact of the pH of solutions, the hydraulic conductivity experiments are complemented by microstructural and textural analysis. The vol-ume change behavior of the processed COX-claystone/ MX80-bentonite-mixture are evaluated not only in the saturated but also in the unsaturated state al-lowing to identify possible hydro-mechanical path dependencies. By considering samples compacted to different initial dry densi-ties, it is assessed whether the initial dry density affects possible dependencies of the volume-change behavior on the hydro-mechanical path. Based on the performed investigations, conclu-sions regarding the hydro-mechanical behavior of claystone-based backfill materials are drawn, and suggestions for future studies are made.
Dans le cadre du projet Cigéo, l'agence française chargée de la gestion des déchets radioactifs (Andra) étudie des matériaux à base d'argile qui pourraient être utilisés pour remblayer les puits et les galeries du futur stockage de déchets radioactifs de moyenne et haute activité, situé dans la roche sédimentaire Callovo-Oxfordienne (COX) riche en argile, à une profondeur d'environ 500 m. L'installation de remblai dans les puits et les galeries vise généralement à assurer l'intégrité du système de stockage dès sa fermeture. Il sert à stabiliser la formation géologique et à limiter la propagation de la zone endommagée/perturbée autour des excavations. Les matériaux de remblai potentiels doivent donc supporter la contrainte verticale in situ et montrer une pression de gonflement lorsqu'ils saturent dans des conditions de volume constant, celle-ci provoque la fermeture des vides conducteurs hydrauliques. Les déblais d'argile COX broyés et tamisés et leurs mélanges avec de la bentonite MX80 sont des matériaux de remblai potentiels, car ils contiennent de la smectite qui présente un tel comportement hydromécanique. En raison de la présence de smectite, les matériaux de remblai potentiels et leur comportement hydromécanique sont impactés par différentes conditions géoenvironnementales. Dans cette étude expérimentale en laboratoire, il est judicieux d'analyser comment les variations des conditions géoenvironnementales adéquates affectent la performance des matériaux de remblai potentiels à base d'argile, et plus spécifiquement leur changement de volume et leur comportement de conductivité hydraulique. Les conditions géoenvironnementales pertinentes qui affectent les différents paramètres du remblai, sont la fraction de smectite dans les matériaux, le diamètre de grain maximum de la fraction de bentonite dans le mélange, la densité sèche initiale, le degré de saturation, la chimie de la solution saturante, en particulier son pH, et leurs combinai-sons. Les variations de la densité sèche initiale devraient être les plus importantes car les techniques de compactage conventionnelles pourraient être utilisées pour compacter le matériau de remblai in situ. Le comportement hydromécanique des déblais d'argile COX traités et de leur mélange avec la bentonite MX80 est analysé par le biais des méthodes de pression de gonflement à volume constant, de potentiel de gonflement libre, de compression/ oedomètre unidimensionnel et de conductivité hydraulique à charge hydraulique constante. Dans un premier temps, on évalue comment la fraction de smectite dans les matériaux, le diamètre de grain maximum de la fraction de bentonite, la densité sèche initiale et la chimie de la solution saturante affectent individuellement et conjointement l'évolution de la pression de gonflement des matériaux de remblai à base d’argile. L'impact individuel et combiné de la fraction de smectite, ainsi que celui de la chimie de la solution saturante sur l'évolution de la conductivité hydraulique sont ensuite évalués. Afin d'affiner l'impact du pH des solutions, des analyses microstructurales et de texture viennent compléter les essais de conductivité hydraulique. Puis le comportement des changements de volume du mélange COX-argile/ MX80-bentonite traité est évalué, non seulement à l'état saturé mais aussi à l'état non saturé, ce qui permet d'identifier les éventuelles dépendances des schémas hydromécaniques. Enfin, en considérant des échantillons compactés à différentes densités sèches initiales, il est déterminé si la densité sèche initiale affecte les éventuelles dépendances du comportement de changement de volume sur le chemin hydromécanique. Sur la base des recherches effectuées, des conclusions concernant le comportement hydromécanique des matériaux de remblai à base d'argile sont présentées et des suggestions sont faites pour de futures études.
Fichier principal
Vignette du fichier
DDOC_T_2020_0239_MIDDELHOFF.pdf (5.48 Mo) Télécharger le fichier
Origin Files produced by the author(s)

Dates and versions

tel-03202708 , version 1 (20-04-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03202708 , version 1

Cite

Marvin Middelhoff. Hydro-mechanical behavior of claystone-based backfill materials under geo-environmental conditions. Géotechnique. Université de Lorraine, 2020. English. ⟨NNT : 2020LORR0239⟩. ⟨tel-03202708⟩
118 View
458 Download

Share

Gmail Mastodon Facebook X LinkedIn More