Contribution à l'étude du transfert de charge des ancrages injectés précontraints et développement de techniques d'instrumentation

Abstract

Le comportement à l'arrachement des ancrages injectés dans le roc demeure peu connu. Leur conception et dimensionnement sont basés sur l'expérience. La difficulté majeure dans la conception des ancrages provient surtout de la nature hétérogène du milieu encaissant. Aussi, les méthodes de dimensionnement, actuellement en usage, conduisent généralement à un surdimensionnement important des longueurs de scellement sans que le facteur de sécurité ne se trouve majoré. Ces méthodes considèrent uniquement une contrainte de cisaillement moyenne en fonction du type de milieu encaissant et ne tiennent donc pas compte des paramètres qui influencent le comportement de l'ancrage. Ainsi, des incertitudes demeurent toujours quand il s'agit de concevoir un ancrage. Dans le cadre de cette étude, nous nous sommes intéressés à concevoir une instrumentation spécifique pour le contrôle des ancrages injectés qu'ils soient constitués de barres ou de câbles torsadés. Aussi, dans le cadre de cette étude, nous avons étudié quelques aspects qui mèneront à mieux saisir l'influence de paramètres qui régissent le comportement des ancrages injectés. L'idée générale retenue dans cette étude consistait à examiner: 1) l'influence des caractéristiques des matériaux, qui composent l'ancrage, sur le transfert de charge à court et long termes et 2) l'efficacité de l'instrumentation proposée à l'aide d'essais sur ancrages grandeur nature en laboratoire et en chantier. L'instrumentation a été rendue possible à l'aide d'utilisation de jauges extensométriques à corde vibrante. Ces instruments ont permis de suivre l'évolution des déformations dans les ancrages testés. Cette recherche a vu tout d'abord la réalisation d'une étude préliminaire portant sur l'utilisation des jauges extensométriques à corde vibrante dans l'instrumentation des ancrages injectés précontraints. Les résultats obtenus ont fait l'objet d'une publication dans un Journal de l'American Society of Civil Engineering "Geotechnical Engineering Division" (Article joint en Annexe 1). Cette étude a montré que le contrôle de la distribution des déformations le long de l'ancrage est très important. Aussi, les données enregistrées peuvent, d'une part, fournir des informations intéressantes sur l'ancrage et, d'autre part permettre de réévaluer la conception originale en évaluant le coefficient de sécurité effectif. Dans ce sens, il est possible de procéder à des mesures correctives nécessaires pour assurer la stabilité de la structure renforcée. Les jauges à corde vibrante ont fait l'objet d'une étude en laboratoire. Leur fonctionnement, dans le cadre de l'instrumentation des ancrages, a été concluant. Néanmoins, pour obtenir une bonne précision des lectures, des essais de calibrage ont été nécessaires. Ces essais doivent être entrepris avec une méthodologie particulière. La deuxième phase de l'étude comprenait des essais sur des ancrages à grande échelle en laboratoire et en chantier. Chaque modèle d'ancrage, testé en laboratoire, est constitué d'un bloc cylindrique de mortier d'une hauteur de 1450 mm et d'un diamètre de 600 mm. Ces dimensions ont permis de retrouver des conditions proches de celles rencontrées in situ. Les différents modèles d'ancrage se distinguaient par les caractéristiques mécaniques des matériaux qui les composaient. Les caractéristiques des matériaux ont été choisies de sorte à obtenir différents rapports Ec/Em (Ec et Em étant les modules d'élasticité du coulis de scellement et du milieu encaissant, respectivement). Le tirant d'ancrage utilisé est une barre crénelée de type Dywidag avec un diamètre nominal égal à 32 mm. L'instrumentation des tirants a été réalisée à l'aide de jauges extensométriques à corde vibrante de modèle IRAD (SM-2W). D'autre part, les déformations des milieux encaissants ont pu être relevées grâce à la mise en place de jauges de déformation électriques. Il a été en particulier montré que les caractéristiques des coulis de scellement doivent être choisies en fonction de celle du milieu encaissant. Les essais ont aussi montré qu'un ancrage injecté dans un milieu encaissant ayant des caractéristiques mécaniques élevées peut développer des contraintes de cisaillement plus faibles que s'il était injecté dans un milieu encaissant ayant des caractéristiques mécaniques moins élevées. D'autre part, il ressort de cette étude que le dimensionnement d'un ancrage ne peut se faire uniquement en fonction des caractéristiques du milieu encaissant en s'assurant uniquement que le coulis de scellement utilisé développe un résistance en compression uniaxiale supérieure à 40 MPa comme il est d'usage dans la pratique. Le modèle analytique proposé par Aydan (1989), portant sur la distribution de la charge le long des ancrages a pu être vérifié pour les ancrages installés en laboratoire et en chantier. Ce modèle analytique semble bien s'appliquer lorsque le milieu encaissant possède des caractéristiques mécaniques peu élevées. Quant au comportement à long terme, les résultats obtenus sur une période de 39 semaines, pour les essais entrepris en laboratoire, et sur une période de 67 semaines, pour ceux réalisés en chantier, ont montré que l'instrumentation à l'aide des jauges extensométriques à corde vibrante est fort utile pour le contrôle de l'efficacité des ancrages. Cette deuxième phase de l'étude a vu aussi la réalisation d'une campagne d’essais dans la mine Jeffrey à Asbestos (Québec). Un ancrage instrumenté a été injecté et précontraint dans le mur Nord de cette mine à ciel ouvert. Son comportement a été suivi sur une période de plus de 78 semaines. Les résultats obtenus ont permis de calculer le coefficient de sécurité de l'ancrage et aussi de vérifier les méthodes de conception empiriques en usage. Enfin, dans cette deuxième phase, nous nous sommes aussi intéressés à l'instrumentation des câbles d'ancrage. Ainsi, notre travail de recherche a abouti à la conception d'un nouvelle technique d'instrumentation des câbles d'ancrage à l'aide d'extensomètres à corde vibrante. La technique mise au point comporte un dispositif de mesure des variations des efforts exercés sur les câbles d'ancrage. Le dispositif de mesure développé a été breveté.