Développement de méthodes multi-échelles pour évaluer la réponse en cisaillement d'interfaces barrage-fondation

Cette thèse propose de nouvelles méthodes numériques et analytiques originales pour prendre en compte les effets de la cohésion, de la rugosité et de l'échelle sur la résistance au cisaillement des interfaces barrage-fondation. Du fait des incertitudes reliées à l'évaluation de la résistance au cisaillement de ces interfaces, il est commun de : (i) négliger à grande échelle les effets des irrégularités géométriques ; (ii) supposer une interface intégralement décollée, sans cohésion ; et (iii) considérer le critère de résistance en cisaillement de Mohr-Coulomb sans inclure explicitement les effets de la rugosité. Cependant, ces hypothèses simplificatrices peuvent mener à une analyse conservatrice de la stabilité des barrages qui ne reflète pas leur comportement généralement bon. Une revue des différents outils employables pour analyser lec omportement en cisaillement de contacts roc-béton est effectuée, notamment en se basant surle cas des discontinuités rocheuses. Néanmoins, les interfaces barrage-fondation comportent certaines spécificités tels leurs dimensions, le niveau de contraintes normales ou la présence de différents matériaux, qui limitent l'applicabilité des outils développés en mécanique des roches. Dans ce contexte, cette thèse se consacre au développement de nouvelles méthodes pour mieux caractériser la résistance au cisaillement des interfaces barrage-fondation. Tout d'abord, une procédure pratique pour les analyses de stabilité sismique des barrages est proposée pour tenir compte de la présence d'irrégularités géométriques et de cohésion le long des interfaces barrage-fondation. La technique développée est appliquée pour investiguer la stabilité sismique d'un barrage-poids existant avec une fondation en escalier. Une discussion détaillée sur les effets de la géométrie et des propriétés mécaniques des interfaces barrage-fondation est alors fournie. Il est montré qu'une géométrie simplifiée d'interface barrage-fondation doit être utilisée avec précaution dans la mesure où elle peut mener à des déplacements résiduels ou des facteurs de sécurité au glissement inexacts. Les résultats soulignent aussi l'importance de la cohésion et de l'angle de friction sur la stabilité au glissement des barrages. Par la suite, trois niveaux d'échelles d'étude sont considérés pour développer les modèles multi-échelles d'interfaces barrage-fondation tout en tenant compte des effets de la rugosité : (i) petite échelle, i.e. correspondant à une dimension d'une éprouvette cisaillée dont le diamètre varie de 0,083 à 0,145 m ; (ii) moyenne échelle, i.e. correspondant à une surface d'environ 0,5 m par 0,5 m ; et (iii) grande échelle, i.e. correspondant à une surface de 4 m par 18 m. D'abord, l'effet de la rugosité des joints sur leur résistance au cisaillement est investiguée à petite échelle en se basant sur les données expérimentales obtenues à partir d'essais de cisaillement menés sur 18 échantillons présentant une interface de contact non-liée, i.e. sans lien chimique, forés à partir de joints béton-béton, roc-béton et roc-roc de barrages existants. Des procédures originales et pratiques sont développées pour traiter numériquement les profils 3D des interfaces numérisées des contacts cisaillés, et ensuite évaluer les paramètres correspondants de rugosité pour la prédiction de la résistance au cisaillement. Des coefficients de rugosité et d'emboitement du joint, respectivement JRC et JMC, dépendants de son orientation, sont aussi proposés pour investiguer les effets de l'emboitement et de la rugosité en fonction de la direction de cisaillement. Les valeurs de résistance au cisaillement obtenues des essais expérimentaux pour chaque contact sont alors comparées à des prédictions en utilisant une équation analytique adaptée pour prendre en compte les JRC et JMC dépendant de l'orientation. Les résultats soulignent le rôle significatif des propriétés de rugosité et d'emboitement sur la résistance au cisaillement des joints naturels non-liés, même si la qualité des prédictions demeure sensible à la valeur sélectionnée d'angle de friction résiduel φr et de la résistance compression du joint JCS. Il est aussi montré que la rugosité et la qualité d'emboitement du joint varient en fonction de la direction de cisaillement, ce qui peut impacter significativement les résistances au cisaillement prédites. Ces résultats illustrent clairement le besoin d'analyses de sensibilité pour évaluer la variation de la résistance au cisaillement d'un joint si le glissement du barrage se produit dans une direction différente de celle adoptée durant les essais.

Abstract

This thesis proposes new original numerical and analytical methods to account for the effects of cohesion, roughness and scale on the shear strength of dam-rock interfaces. Due to the uncertainties related to the assessment of the shear strength of these interfaces, it is common to: (i) neglect at large scale the effects of geometric irregularities; (ii) assume a fully unbounded dam-rock interface without any cohesion; and (iii) to consider the Mohr-Coulomb shear strength criterion without explicitly including the effect of roughness. However, these simplified assumptions may lead to conservative analyses of the dam stability which do reflect not their overall good behaviour. A review of the various tools applicable to analyse the shear behaviour of concrete-rock contacts is conducted based on the case of rock discontinuities. Nevertheless, dam-rock interfaces include several specificities such as their size, the level of normal stress or the presence of various materials which prevent to apply the tools developed in rock mechanics. Therefore, this thesis is dedicated to the development of new methods to better characterize the shear strength of dam-rock interfaces. First, an efficient procedure for dam seismic stability analysis is proposed to account for the presence of geometric irregularities and cohesion along the dam-rock interfaces. The developed technique is applied to investigate the seismic stability of an existing gravity dam with a stepped dam-rock foundation. Detailed discussion of the effects of dam-rock geometry and mechanical properties at dam-rock interface is presented. It is mainly shown that a sim-plified dam-rock geometry should be used with caution as it may lead to inaccurate results for the dam sliding safety factor and residual displacement. The results also emphasize the importance of cohesion and friction in dam stability assessment. Then, three scales of study are considered to develop multiscale analytical and Finite Element models of dam-rock interfaces while accounting for the effects of roughness: (i) small scale, i.e. a shear-tested contact specimen whose diameter vary between 0.083 and 0.145 m; (ii) medium scale, i.e. concrete rock contact of approximately 0.5 m; and (iii) large scale, i.e. a rock foundation of 18 m. First, the effects of joint roughness on shear strength is investigated at small scale based on experimental data obtained from shear tests on 18 specimens presenting an unbonded contact interface, i.e. with no bond, drilled from concrete, concrete-rock, and rock joints in existing dams. Original and practical procedures are developed to numerically process 3D profiles of laser-scanned interfaces of the tested contact specimens, and then evaluate the corresponding roughness parameters for the prediction of joint shear strength. Orientation-dependent Joint Roughness Coefficient (JRC)and Joint Matching Coefficient (JMC) are also proposed to investigate roughness effects asa function of shearing direction. Shear strength values from shear tests conducted on contactspecimens are compared to predictions using an analytical equation adapted to include the orientation-dependent JRC and JMC. The results highlight the significant role of roughness and matching properties on the shear strength of unbonded natural joints, although thequality of the predictions was found to be sensitive to the selection of the residual friction angle φr and the joint compressive strength JCS. It is also found that joint roughness and matching depends on shear direction which can significantly affect shear strength predictions.