Comportement mécanique des joints cohésifs de béton-granite au niveau de l'interface barrage-fondation : influence géométrique et mécanique des aspérités

par Bassel El Merabi

Thèse de doctorat en Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Frédéric Dufour.

Le président du jury était Giovani Grasselli.

Le jury était composé de Matthieu Briffaut, Patrice Rivard, Patrick Divoux.

Les rapporteurs étaient Jean-Pierre Rajot.


  • Résumé

    La résistance au cisaillement de l'interface béton-roche est un facteur clé dans l'évaluation de la stabilité contre le glissement des barrages en béton construits sur une fondation rocheuse. Alors que plusieurs études ont montré que la rugosité de la surface rocheuse ainsi que la cohésion initiale contribuent à la résistance au cisaillement de l’interface béton-roche, la plupart des recommandations pour l'évaluation de stabilité des barrages proposent des valeurs conventionnelles pour les paramètres mécaniques de cette interface. De plus, la plupart des critères proposés dans la littérature pour déterminer la résistance au cisaillement des joints rugueux sont basés sur des essais de cisaillement direct réalisés sur des joints sans cohésion initiale. Une autre difficulté majeure réside dans la quantification de la rugosité de surface par un paramètre objectif permettant de décrire l'aspect tridimensionnel ainsi que l'anisotropie observée expérimentalement. Dans ce contexte, l'un des principaux objectifs de cette thèse est de mieux comprendre le comportement en cisaillement des joints cohésifs rugueux de béton-granite et de relier la résistance au cisaillement aux paramètres morphologiques de l'interface.En raison de la complexité du comportement en cisaillement des joints cohésifs et du fait que peu d'études ont été réalisées sur des échantillons cohésifs, il a été décidé de réaliser plusieurs campagnes expérimentales sur différents types de rugosité de surface (joints lisses, bouchardés, joints avec aspérités triangulaires et surfaces naturelles). À cette fin, plus de trente essais de cisaillement direct ont été effectués sur des échantillons cohésifs et à trois niveaux de contrainte normale. L'influence de la vitesse de cisaillement sur le comportement mécanique a également été étudiée. Avant la réalisation des essais, un outil morphologique a été développé afin de fournir une quantification objective de la rugosité de surface basée sur des mesures de surface obtenues avec un profilomètre laser.Sur la base des résultats des essais de cisaillement, deux comportements différents ont été observés pour les joints naturelles en fonction de la rugosité de surface et du niveau de la contrainte normale. Ainsi, une expression analytique a été proposée afin de quantifier la contribution des différents modes de rupture à la résistance au cisaillement. Il est montré que cette expression est capable de bien prédire la résistance au cisaillement des joints naturels. De plus, un nouveau paramètre de rugosité a été proposé afin de quantifier la morphologie des joints naturels et de prendre en compte les différents niveaux de rugosité de surface impliqués dans le mécanisme de cisaillement. Ce paramètre s'est avéré être bien corrélé avec la résistance au cisaillement dans le cas des joints cisaillés à une contrainte normale inférieure à 0.6MPa.D'autre part, une modélisation en 3D des essais de cisaillement direct a été proposée par la méthode des éléments finis en incorporant la surface reconstruite des joints obtenue à partir du profilomètre laser. Deux modèles de comportement différents ont été utilisés: un modèle cohésif-frottant pour la phase de pré-pic et une loi de contact pour modéliser la phase résiduelle de cisaillement. Les paramètres mécaniques de l'interface béton-granite ont été obtenus à partir des résultats des campagnes expérimentales sur des échantillons bouchardés. La comparaison entre les résultats numériques et les données expérimentales a montré un bon accord dans la phase résiduelle et une reproduction de la forme globale de la courbe de contrainte de cisaillement.

  • Titre traduit

    Mechanical behavior of cohesive concrete-rock joints at the dam-foundation interface : geometrical and mechanical influence of asperities


  • Résumé

    The shear strength of the concrete-rock interface is a key factor in assessing the stability against sliding of concrete dams founded on rock. While several studies have shown that both surface roughness and the initial cohesion contribute to the shear strength, most of the recommendations for the stability assessment of dams propose conventional values for the mechanical parameters of the dam-foundation interface (i.e. friction angle and cohesion). Moreover, most of the criteria proposed in the literature in order to determine the shear strength of rough joints are based on direct shear tests conducted on joints without initial bonding. Another major difficulty lies in the quantification of surface roughness by means of an objective parameter able to describe the three dimensional aspect of surface roughness as well as the anisotropy observed experimentally. In this context, one of the primary objectives of this thesis is to better understand the shear behavior of bonded rough joints and to relate the shear strength to the morphological parameters of the concrete-rock interface.Due to the complexity of the shear behavior of bonded joints and because few studies have been carried out on cohesive samples, it was decided to perform several experimental campaigns on different types of geometries with an increasingly complex roughness (smooth, bush-hammered, tooth-shaped asperities and natural surfaces). For this purpose, more than thirty direct shear tests were performed on bonded samples at three levels of normal stress. The influence of the shear displacement rate on the shear behavior of joints was also investigated. Prior to the shear tests, a morphological tool was developed in order to provide an objective quantification of surface roughness based on surface measurements obtained with a laser profilometer.Based on the shear test results, two different shear behaviors were observed for the natural joints according to surface roughness and the level of normal stress. Thus, an analytical expression was proposed in order to quantify the contribution from the different modes of failure to the shear strength. It is shown that this expression is able to well predict the shear strength of natural joints. Furthermore, a new roughness parameter was proposed in order to quantify the morphology of natural joints and to account for the different levels of surface roughness involved in the shearing mechanism. This parameter was found to be well correlated with the shear strength of joints sheared at a normal stress less than 0.6MPa.On the other hand, numerical simulations of the direct shear tests were conducted by using a 3D finite element code and by incorporating the reconstructed joint surface obtained from the laser profilometer. Two different models were used: a cohesive-frictional model for the pre-peak phase and a contact law for modeling the residual shear behavior. The mechanical parameters of the concrete-granite interface were obtained from the results of the experimental campaigns on bush-hammered samples. The comparison between the numerical results and the experimental data showed a good agreement in the residual phase. The use of a cohesive-friction model, on the other hand, allowed to mimic the overall shape of the shear stress curve.


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