• Langue : Anglais
• Discipline : Génie civil
• Identifiant : 2024ULILN042
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 02/12/2024

Résumé en langue originale

La compréhension du développement et de l'évolution des discontinuités transversales (par exemple, les fissures, les joints, les dykes et les failles) est cruciale pour les communautés des géosciences et de l'ingénierie géologique. L'évolution de ces discontinuités implique généralement des interactions thermiques-hydro-mécaniques (THM) complexes. La méthode de discontinuité des déplacements (DDM) est l'une des approches numériques les plus attrayantes pour simuler l'évolution des fractures à méso-échelle et à macro-échelle en raison de sa simplicité, de sa précision et de sa facilité de mise en œuvre. Dans cette thèse, nous nous sommes engagés à développer un simulateur plus complet et applicable pour l'évolution des discontinuités basé sur le cadre DDM.Nous examinons le développement et l'évolution des discontinuités sous différents angles, notamment les phénomènes naturels, les mesures en laboratoire et la surveillance in situ, ainsi que les simulations numériques. En outre, nous détaillons le processus de dérivation de la solution analytique pour 2D-DDM et illustrons ses avantages et ses limites à l'aide d'exemples de logiciels basés sur DDM.Par la suite, un algorithme 3D-DDM optimisé est développé pour traiter les fractures en contact avec le frottement, les fractures proches et les fractures qui se croisent, en utilisant diverses techniques d'optimisation. Nous validons l'efficacité de cet algorithme optimisé à travers différents cas, en étendant le champ de calcul potentiel de la DDM à toutes les fractures qui se croisent.En outre, nous développons un 3D-DDM plus généralisé basé sur des éléments triangulaires, qui peut traiter non seulement les problèmes de type fracture mais aussi les problèmes de contour fermé. Cette 3D-DDM généralisée a été vérifiée à travers un problème de fracture en forme de penny et un problème de cavité sphérique, élargissant ainsi le champ d'application potentiel de la DDM à des problèmes de limites plus généraux que les seules fractures.Ensuite, nous établissons un modèle de propagation des fractures entièrement non planaire basé sur la 3D-DDM généralisée, en couplant l'écoulement des fluides à la propagation des fractures. La précision du modèle est validée par deux exemples analytiques, et sa large applicabilité est démontrée par cinq cas différents. Ce modèle est capable de simuler la propagation des fractures dans des conditions de fracturation hydraulique et de modéliser la croissance des fractures dans des structures géologiques à contour fermé.Enfin, nous proposons une nouvelle méthode de maillage qui relie explicitement le modèle DDM à la matrice environnante. Sur la base du cadre DDM et en combinaison avec la méthode des éléments finis en volume (FVFEM), nous avons établi un modèle THM 3D simple préliminaire pour les systèmes géothermiques améliorés (EGS), qui est ensuite affiné en un modèle 3D-EGS amélioré. Dans chaque modèle EGS, nous avons effectué des simulations et des comparaisons pour différents exemples numériques, contribuant ainsi à une meilleure compréhension et à l'application de la méthode DDM dans le traitement des discontinuités géologiques et de leur évolution.

Résumé traduit

Understanding the development and evolution of cross-scale discontinuities (e.g., cracks, joints, dykes, and faults) is crucial for the geosciences and geological engineering communities. The evolution of these discontinuities typically involves complex thermal-hydro-mechanical (THM) interactions. The Displacement Discontinuity Method (DDM) stands out as one of the most attractive numerical approaches for simulating the evolution of mesoscale and macroscale fractures due to its simplicity, accuracy, and ease of implementation. In this thesis, we are committed to developing a more comprehensive and applicable simulator for the evolution of discontinuities based on the DDM framework.We review the development and evolution of discontinuities from various perspectives, including natural phenomena, laboratory measurements and in-situ monitoring, and numerical simulations. In addition, we detail the derivation process of the analytical solution for 2D-DDM and illustrate its advantages and limitations through examples of DDM-based software.Subsequently, an optimized 3D-DDM algorithm is developed to handle frictional contacting, close-range, and intersecting fractures, employing various optimization techniques. We validate the effectiveness of this optimized algorithm through various cases, extending the potential computational range of DDM to any intersecting fractures.Further, we develop a more generalized 3D-DDM based on triangular elements, which can address not only fracture-type problems but also closed-contour boundary problems. This generalized 3D-DDM has been verified through a penny-shaped fracture problem and a spherical cavity issues, expanding the potential application scope of DDM to more general boundary problems beyond just fractures.Next, we establish a fully non-planar fracture propagation model based on the generalized 3D-DDM, coupling fluid flow with fracture propagation. The model's accuracy is validated through two analytical examples, and its broad applicability is demonstrated through five different cases. This model is capable of simulating fracture propagation under hydraulic fracturing conditions and modeling fracture growth within closed-contour boundary geological structures.Finally, we propose a novel meshing method that explicitly links DDM with the surrounding matrix. Based on the DDM framework and combined with the Finite Volume Finite Element Method (FVFEM) approach, we have established a preliminary simple 3D THM model for enhanced geothermal systems (EGS), which is further refined into an improved 3D-EGS model. In each EGS model, we conducted simulations and comparisons for different numerical examples, contributing to a deeper understanding and application of DDM in addressing geological discontinuities and their evolution.