Influence des contraintes sur la perméabilité du granite : étude en laboratoire et méthode d'interprétation des essais

Influence of stresses on granite permeability : laboratory research and trial interpretation method

¹ École Centrale de Lille URA CNRS 1441 Cité Scientifique BP 48 59651 Villeneuve-d'Ascq Cedex, France
² Laboratoire de Mécanique de Lille USTL URA CNRS 1441 59655 Villeneuve-d'Ascq Cedex, France
³ Institut de Protection et de Sûreté Nucléaire DPEI/SERGD, BP 6 92265 Fontenay-aux-Roses Cedex, France

Résumé

Les résultats obtenus à partir de nombreux essais de perméabilité en forage dans les massifs rocheux fracturés, ont montré que la fracturation ouverte a un rôle déterminant sur les écoulements et, par voie de conséquence, que les caractéristiques hydrauliques du milieu décroissent quand la profondeur augmente.

S'il est admis que la fracturation augmente près de la surface (fractures de retrait au moment du refroidissement du granite, fractures de décompression...), les études structurales réalisées dans les forages profonds et dans les galeries de reconnaissance ont montré que la densité de fracturation n'est pas influencée de façon significative par la profondeur. L'ouverture des fractures hydrauliquement conductrices dépend étroitement des contraintes effectives qui leur sont appliquées dans le massif.

Une loi exponentielle empirique entre la perméabilité des fractures et la contrainte normale effective qu’elles supportent, est utilisée généralement pour traduire leur comportement hydraulique en fonction de la profondeur (C. Louis).

Nous nous proposons dans cet article d'étudier le comportement hydraulique de blocs de granite, respectivement sain et parcouru par une fissure, dans un appareil triaxial vrai de grande capacité, pour vérifier cette loi empirique et pour mettre au point une méthode d'interprétation qui prenne en compte la répartition non uniforme des contraintes autour du forage dans lequel sont effectuées les mesures de perméabilité. Cette méthode, qui donne une bonne corrélation entre les mesures en régime permanent et en régime transitoire de type « pulse-tests », sera étendue par la suite à l'interprétation d'essais de perméabilité en forage, dans les massifs fracturés.

Les essais ont montré l'influence de la fissuration sur la perméabilité, même pour des valeurs élevées de la contrainte verticale.

Au cours du chargement, l'approximation de la perméabilité par une loi exponentielle est satisfaisante, alors que le déchargement se traduit par une hystérésis.

Pour des rapports de contraintes, sh/sv élevés, la perméabilité est relativement indépendante de la contrainte verticale.

Abstract

The results obtained from numerous borehole permeability trials in fractured rocky massifs demonstrated that open fracturation played a key role in flowing and, consequently, that the milieu's hydraulic characteristics decreased with Increasing depth Although it is commonly accepted that fracturation increase closer the surface (shrinkage fractures on granite cooling, decompression fractures.. ), structural surveys carried out In deep drilling and exploration galleries have shown that depth does not significantly affect fracturation density. The opening of hydrologically conductive fractures is closely dependant on the effective stresses applied on the massif. And empirical exponential law relating fractures permeability to normal effective stress tolerated is generally used to express the hydraulic behaviour of fractures according to depth (C. Louis).

In the present paper, we propose to examine the hydraulic behaviour of sound and cracked granite blocks using a high capacity true triaxial loading system t ascertain this empirical law and develop an Interpretative method which takes into account the non-uniform distribution of stresses around the borehole in which the permeability trials are carried out. The method, which gave good correlation between steady state measurements and unsteady-state measurements of the pulse-test type, will later be extended to interpreting borehole permeability trials in fractured massifs The trials showed the influence of cracking on permeability, even for very high value of vertical stresses.

When stresses were applied, an approximation of permeability using an exponential law was satisfactory, whereas relieving it resulted in hysteresis In high sh/sv stresses ratios, permeability was relatively independant of the vertical stress.