Étude du comportement au cisaillement d’une discontinuité rocheuse - Application aux calculs de stabilité d'un barrage-poids avec prise en compte de la cohésion apparente

Abstract

En France, les barrages sont l’objet d’inspections régulières afin d’évaluer leur stabilité. Un des modes de rupture redouté est le cisaillement du barrage le long des discontinuités rocheuses du massif de fondation, de l’interface de fondation roc-béton ou des joints de levées béton-béton.

Afin d’évaluer la résistance au cisaillement de ces discontinuités, les guides professionnels préconisent la réalisation d’essais de cisaillement direct et l’utilisation du critère de rupture de Mohr-Coulomb. Une telle démarche permet alors d’obtenir une valeur de cohésion apparente que les guides professionnels suggèrent cependant de négliger dans les calculs de stabilité, privant alors l’ouvrage d’un paramètre de résistance. Cette pratique sécuritaire et conservatrice est justifiée par les nombreuses incertitudes liées au comportement au cisaillement des discontinuités rocheuses.

Issu d’une collaboration entre l’Université de Sherbrooke, INRAE et Hyrdo-Québec, ce projet de thèse a pour objectif d’améliorer l’état des connaissances sur le comportement au cisaillement des discontinuités rocheuses en : i) déterminant expérimentalement les facteurs d’influence et ii) développant un modèle mécanique de comportement au cisaillement des discontinuités rocheuses prenant en compte l’effet de la rugosité.

Un protocole expérimental de 110 essais de cisaillement direct a été développé afin d’évaluer les effets sur le cisaillement des discontinuités rocheuses de : la rugosité, l’endommagement, l’emboîtement, la contrainte normale, l’effet des propriétés mécaniques du matériau ou du type de contact. Les résultats montrent que la rugosité et l’emboîtement semblent être les deux facteurs d’influence les plus importants.

Par la suite des lois empiriques reliant le comportement mécanique au cisaillement d’une discontinuité rocheuse à sa rugosité ont été développées. Il est apparu que l’utilisation du critère de Mohr-Coulomb et des lois développées permet d’approcher avec pertinence les résultats expérimentaux. Ce modèle a ensuite été extrapolé à l’échelle d’un ouvrage et de son massif de fondation à l’aide d’une modélisation numérique aux éléments discrets. Les résultats montrent que plus la rugosité des discontinuités augmente et plus la stabilité de l’ouvrage face à des événements extrêmes est assurée.

Abstract: In France, dams are subject to scheduled inspections to assess their stability. Indeed, shearing phenomena can occur around rock-rock joints inside the rock foundation mass, rock-concrete foundation contact or the concrete-concrete levee joints. Professional guidelines recommend performing direct experimental shear tests and to use the Mohr- Coulomb failure criterion to assess the shear strength of these discontinuities. Such a process allows getting an apparent cohesion value from the experimental data. However, for safety reasons, professional standards suggest, for shear strength evaluation, that the apparent cohesion should be taken as null. This practice is conservative and motivated by the lack of knowledge about the rock joint shear behavior and failure mechanisms.

This PhD project, in collaboration with Université de Sherbrooke, INRAE and Hydro- Québec aims to : i) evaluate through an extensive experimental protocol the factors influencing the rock joint shear behavior and ii) develop a mechanical numerical model that takes into account the effect of roughness on the joints shear behavior.

An experimental protocol of 110 direct shear tests was developed in order to assess the effect on the shear behavior of the roughness, the damaging, the interlocking, the normal load, the material mechanical properties or the contact. In this study, it appears that the roughness and the interlocking are the two main factors of influence.

Empirical relationships between the joint shear mechanical behavior and its roughness were developed. Used with a Mohr-Coulomb mechanical model, it appeared that these relations were suitable to assess the joint shear mechanical behavior and the results obtained were close to the experimental data. Then, the model was exported to a case study: a dam and its rock mass foundation were modeled with discrete elements methods. Results showed that rougher rock joints and safer the dam in front of extreme loads.