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Adwan , Anthony , 1992-....

Maillot , Bertrand

Souloumiac , Pauline , 1979-....

Caumon , Guillaume , 1976-....

Leroy , Yves-Marie

Conin , Marianne , 1982-....

Maerten , Frantz , 1967-....

CY Cergy Paris Université , 2020-....

École doctorale Sciences et ingénierie , Cergy-Pontoise, Val d'Oise

Laboratoire Géosciences et Environnement , Cergy-Pontoise

Analyse mécanique stochastique des structures géologiques compressives tridimensionnelles au-dessus d'un socle rigide. , Anthony Adwan ; sous la direction de Bertrand Maillot et de Pauline Souloumiac

Titre provenant de l'écran-titre

Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie

Partenaire(s) de recherche : GEC - Laboratoire géosciences et environnement Cergy (Laboratoire)

Autre(s) contribution(s) : Guillaume Caumon (Président du jury) ; Bertrand Maillot, Pauline Souloumiac, Yves-Marie Leroy, Marianne Conin, Frantz Maerten (Membre(s) du jury) ; Guillaume Caumon, Yves-Marie Leroy (Rapporteur(s))

Thèse de doctorat Sciences de la terre et de l'univers - Cergy CY Cergy Paris Université 2023

Pour assurer une exploitation souterraine sécurisée, la précision des interprétations structurelles et des estimations du champ de contraintes, ainsi que l'évaluation des états de dommage, sont cruciales pour une analyse des risques efficace. Cependant, la compréhension des états de contrainte est difficile et chronophage en raison de données limitées et d'hypothèses simplifiées. Le coût élevé et la délicatesse des mesures compliquent les choses. L'intégration de modèles géomécaniques est essentielle pour des évaluations de sites efficaces, malgré la possibilité d'erreurs liées à des données biaisées. Ces erreurs nécessitent des décisions stratégiques basées sur des évaluations mathématiques et probabilistes rigoureuses.Dans cette thèse, nous utilisons des mises en œuvre numériques de la théorie de l'analyse limite pour estimer les champs de contraintes et le potentiel de déformation plastique dans des prototypes idéalisés en 2D et 3D. Notre recherche commence par le développement de méthodes automatisées de détection de failles en utilisant des champs de contrainte statique et de déformation virtuelle dérivés de l'analyse numérique. Nous nous concentrons sur l'identification de valeurs indicatives de rupture pour isoler les zones de défaillance. Nous extrayons ensuite les lignes de failles (en 2D) et les surfaces (en 3D) en utilisant des techniques de traitement d'image ou une approche combinée impliquant un regroupement automatisé des nœuds atteignant la défaillance et un ajustement polynomial.Pour obtenir des informations plus approfondies sur les résultats en 3D observés, nous avons participé à une étude collaborative pour explorer la théorie du prisme critique de Coulomb (CCW) dans un environnement 3D. Un prisme basique avec des pentes de surface hétérogènes et une largeur latérale variable au-dessus d'un décollement homogène a été analysé pour différents angles de friction basale. Les simulations ont révélé trois mécanismes de rupture, passant d'un coin entièrement instable à un coin entièrement stable, avec certains cas présentant les deux coins, séparés par une zone de transfert en forme de "S".De plus, nous avons étudié la distribution des contraintes dans des modèles présentant une faille générique développée sur un décollement. Nous avons réalisé un total de 2500 simulations en 2D et 500 en 3D, explorant des variations paramétriques dans les angles de friction basale et de faille. Ces simulations nous ont été classées en clusters représentant des modèles de rupture similaires. La comparaison entre les résultats en 2D et 3D a montré que l'effet latéral en 3D influence le mode de rupture obtenu, le distinguant de son homologue en 2D. De plus, une analyse de contrainte statistique a prouvé l'unicité des modèles de contrainte pour un comportement de rupture spécifique, malgré des magnitudes variables.Enfin, nous avons couronné cette thèse en réalisant une analyse stochastique d'un prototype générique inspiré du Jura NE. Nous avons mis en œuvre un pas basal avec diverses configurations de hauteur, varié les propriétés des couches, des faille et du décollement, tout en considérant également deux cas principaux de failles héritées existantes et non existantes. Les 2000 simulations en 3D ont été divisées en 22 clusters. Les résultats ont démontré l'influence significative des angles de friction basale suivis de la résistance des couches dans la définition des modèles de rupture et ont montré l'existence d'une région ne présentant aucune défaillance dans 95% des cas. Le travail développé dans cette thèse s'est avéré précieux à la fois sur le plan géologique et mécanique. Il a également montré que malgré des calibrations minimales, l'initialisation et l'interprétation de centaines de calculs en 3D offrent une alternative d'investigation de site rentable.

For secure underground exploitation and subsurface site characterization, ensuring the accuracy of structural interpretations and stress field estimations, as well as assessing damage states, are crucial factors in effective risk mitigation. However, understanding the stress states is often regarded as a challenging and time-consuming task due to limited data and oversimplified assumptions. The high cost and delicate nature of stress measurements further complicate matters. Thus, the integration of geomechanical models is deemed essential for more efficient site evaluations. Yet, even with numerical analysis, the possibility of biased data and observations cannot be entirely eliminated. These errors, stemming from measurement errors, geometric complexities, spatial and temporal variations, and unverified geological concepts, require strategic decisions based on rigorous mathematical and probabilistic assessments.In this thesis, we employ numerical implementations of the limit analysis theory to estimate stress fields and the potential for plastic deformation in a series of 2D and 3D idealized prototypes. Our research begins by developing automated methods for fault detection using static stress and virtual deformation fields derived from the numerical analysis. We focus on identifying values indicative of rupture to isolate the failure zones. We then extract fault lines (in 2D) and surfaces (in 3D) using image processing techniques or a combined approach involving automated clustering of nodes that reach failure and polynomial fitting.To gain more insights into the 3D results observed, we participated in a collaborative study to explore the Coulomb Critical Wedge (CCW) theory within a 3D environment. A basic wedge, with heterogeneous surface slopes and varying lateral width, above a homogeneous basement was analyzed for different basal friction angles. The simulations revealed three primary rupture mechanisms, transitioning from a fully unstable to a fully stable wedge, with some cases presenting both wedges, separated by an "S"-shaped transfer zone.Furthermore, we investigated stress distributions in models featuring a generic fault developed over a basal detachment. We conducted a total of 2500 2D and 500 3D simulations, exploring parametric variations in basal and fault friction angles. These simulations were then classified into clusters representing similar predicted failure patterns. Comparison between 2D and 3D results showed that the 3D lateral effect influences the obtained failure pattern, distinguishing it from its 2D counterpart. In addition, a statistical, cluster-based stress analysis proved the uniqueness of stress patterns for specific rupture behavior, despite varying magnitudes.Finally, we culminated this thesis by conducting a stochastic analysis of a generic prototype inspired by the NE Jura setting. We implemented a basal step with various height configurations, varied the bulk, fault, and basement properties, while also considering two main cases of existing and non-existing inherited faults. The 2000 3D simulations were divided into 22 clusters. The results demonstrated the significant influence of the basal friction angles followed by the bulk resistance in defining rupture patterns and showed the existence of a region presenting no failure in 95% of the cases. The workflow developed in this thesis proved valuable in both geological and mechanical aspects. It also showed that despite minimum calibrations, initializing and interpreting hundreds of 3D calculations offer a cost-efficient site investigation alternative.

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