Comportement axial des ancrages passifs scellés au rocher : étude de l’interface barre-scellement et modélisation

Axial behavior of fully grouted rockbolts : study of the bolt-grout interface and modeling

• Auteur / Autrice : Duc An Ho
• Direction : Jean-Pierre Rajot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance le 16/01/2017
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole nationale des travaux publics de l'Etat (Vaulx-en-Velin, Rhône ; 1975-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l'Aménagement et des réseaux. Laboratoire Risques rocheux et ouvrages géotechniques
• Jury : Président / Présidente : Henry Kwai-Kwan Wong
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marion Bost, Didier Hantz, Ali Limam, Jean-François Serratrice
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Robert Charlier, Jean Sulem

Mots clés

Mots clés libres

Ancrage passif

Rocher

Interface barre-scellement

Rupture

Modélisation numérique

Essais in-situ

Fully grouted rockbolt

Bolt-grout interface

Failure

Numerical modeling

In-situ pull-out tests

Résumé

L’installation et la maintenance des ancrages passifs scellés au rocher représentent un coût important dans le budget de fonctionnement des infrastructures de transport sujettes à l’aléa rocheux. Dans ce contexte, clarifier et optimiser les méthodes de dimensionnement actuellement employées représente un enjeu fort. Or le comportement d’un ancrage passif scellé au rocher est très complexe : il fait intervenir non seulement la rupture des matériaux constituants mais également la rupture des interfaces. Par ailleurs, la résistance de l’interface barre-scellement lors de l’arrachement d’un ancrage dépend du caractère dilatant de cette interface, liée à la géométrie de la barre (verrous) et à la plastification du matériau de scellement. Le travail de cette thèse porte sur une meilleure compréhension du comportement en traction d’un ancrage passif scellé au rocher, l’objectif étant d’améliorer la conception et le dimensionnement des ancrages sollicités axialement. Premièrement, le travail a consisté à définir le comportement de l’interface barre-scellement, Pour cela, un modèle numérique a été développé afin de reproduire des essais d’arrachement, sous différentes contraintes de confinement radial, de barres d’acier de haute adhérence (HA) scellées sur une longueur de 15 cm dans un cylindre de coulis de ciment (Moosavi et al. 2005). La géométrie réelle de l’interface acier–scellement a été considérée dans le modèle. Le comportement du coulis de scellement a été représenté par un modèle de type «concrete damage plasticity» (CDP), modèle de Lubliner (1986), implémenté dans Abaqus (2012). La représentation dans une approche continue de la plastification locale et de la fissuration, a nécessité un calage pour tenir compte des effets d’échelle. Le comportement de l’interface barre-scellement a ainsi été identifié comme cohésif dommageable avec frottement, dans une bande de cisaillement de largeur entre 2 et 3 fois la hauteur des verrous. Dans l’objectif de simuler un ancrage sur le terrain, des éléments d’interface représentant le contact acierscellement (sans les verrous) ont été développés.. La performance des éléments a été testée par la modélisation d’essais réalisés par Benmokrane et al. (1995) pour des barres de HA scellées en forage dans un bloc de béton, c’est-à-dire avec des conditions-limites radiales à rigidité constante. En parallèle, afin de tester l’influence de différents paramètres (géométrie, propriétés de matériau, accessoires de mise en oeuvre) sur le comportement de l’ancrage, une campagne insitu de 36 essais d’arrachement de barres d’acier HA scellées dans un massif calcaire résistant a été réalisée. Certaines barres équipées de fibre optique ont permis d’étudier finement la mobilisation de l’interface entre la barre d’acier et le matériau de scellement lors de la sollicitation axiale. Ces observations expérimentales, comparées aux résultats de la simulation numérique des essais, ont permis de valider le modèle numérique développé et en particulier les éléments d’interface. Par ailleurs, dans nos conditions d’essais, il n’est pas noté d’effet de la longueur de scellement ou de la résistance du coulis de scellement sur la résistance de l’ancrage : la résistance est limitée par la résistance en traction de la barre d’acier. Quant à la rigidité de l’ancrage, c’est le rapport diamètre de la barre/diamètre du forage ou un coulis plus résistant qui tend à rigidifier le comportement de l’ancrage. Pour un rocher résistant et homogène, la longueur de scellement efficace est au maximum de 65cm pour les diamètres usuels de barre. Elle tend à augmenter quand le système est plus déformable : coulis de scellement moins résistant ou, pour un diamètre de barre donné, diamètre de forage plus grand. La présence de la canule d’injection ne semble pas perturber le comportement de l’ancrage. Par contre, une attention particulière doit être portée à la mise en oeuvre de la chaussette géotextile.

Fully grouted rockbolts have been used for decades for transport infrastructure exposed to rockfall hazards. However their installation and maintenance are usually costly. Therefore, understanding and optimizing of the current design method for this type of anchorage is a major challenge. This study is not simple because of the complexity of fully grouted rockbolt behavior: its failure involves not only the failure of constituent materials (rockbolt, grout, rock), but also the failure of bolt-grout and grout-rock interfaces. Moreover, the strength of bolt-grout interface depends on the interface dilatancy, which is likely linked to the geometry of ribs and to the plastification of grout material. This thesis which includes two different parts, a numerical modeling and an experimental work, contributes hence to a better understanding of fully grouted rockbolt behavior under an axial tensile load, in order to improve the current design method. Firstly the bolt-grout interface behavior in particular the force transmission between the bolt and the grout, was studied. For this purpose, a numerical model was proposed to simulate the pull-out test of a short length of 15cm of bolt grouted in a cylinder of cement hardened paste, under constant confinement pressure (Moosavi et al., 2005). In this model, the bolt-grout interface was modeled with its real geometry, including ribs. To consider the different types of behavior and failure (tension, compression and shear) of the grout, this one was modeled by the concrete damage plasticity model (CDP model), which was developed by Lubliner et al. (1986) and implemented in Abaqus (2012). Moreover, the localization of plastic strain and the fracture of grout imply different size effects, which were also taken into consideration within the calibration of the parameters of the CDP model. The bolt-grout interface behavior was also identified to be a cohesive-damage friction interface within a 2 or 3 times the height of the ribs wide shear band. From these numerical modeling results, a constitutive model for the bolt-grout interface was developed to replace the real geometry of bolt-grout contact, in order to model in-situ anchors, whose length is much longer than that of anchors in laboratory tests. The interface model was then validated by performing the numerical simulation of the pullout tests of grouted bolt in borehole drilled in concrete block, carried out by Benmokranne et al. (1995), under constant rigidity of confinement instead of constant pressure of confinement. For the second part of this study, a series of 36 pull-out field tests of fully grouted rockbolt in a rigid limestone rock wall was conducted in order to study the influence of different parameters on the behavior of rock anchors (geometry, material characteristics, accessories). Certain of the bolts equipped with optical fiber allowed bolt strains to be measured along their length, and hence, the stress mobilization along the bolt-grout interface to be studied. The comparison between experimental and numerical results permitted us to validate the numerical simulation, in particular the proposed interface model. With our field test conditions, no influence of grouting length or grout resistance on the strength of anchor was noticed and the bolt strength was limited by the tensile strength of the steel rebar. It is the ratio of bolt diameter/borehole diameter or a stronger grout that tends to stiffen anchor. In a resistant and homogeneous rock and for usual rebar diameters, the efficient grouting length is lower than 65cm. This length increases when the system is more deformable, by using a less resistant grout or a higher grout thickness. The instalation of the cannula seem not to affect the anchor’s strength. However, a particular attention must be paid to the use of the geotextile sock.