Essais d'arrachement en laboratoire sur des boulons d'ancrage et des boulons de câble entièrement injectés : résultats et enseignements tirés

Abstrait:

Des tests d'arrachement en laboratoire ont été réalisés sur les boulons d'ancrage et boulons de câble suivants : barres d'armature en acier, barres d'acier lisses, boulons filetés en polymère renforcé de fibre de verre, boulons de câble flexibles, boulons de câble spéciaux IR5/IN et boulons de câble Mini-cage. Le diamètre des boulons testés était compris entre 16 mm et 26 mm. Les boulons ont été injectés dans un échantillon de grès à l'aide de coulis de résine ou de ciment. Les tests ont été réalisés dans des conditions limites de rigidité radiale constante ou de pression de confinement constante appliquées sur la surface externe de l'échantillon de roche. Dans la plupart des tests, la vitesse de déplacement était d'environ 0,02 mm/s. Les tests ont été réalisés à l'aide d'un banc extractible qui permet de tester un large éventail de paramètres. Cet article fournit une base de données complète de résultats d'essais d'arrachement en laboratoire et confirme l'influence de la pression de confinement et de la longueur d'ancrage sur la réponse à l'arrachement (boulons d'ancrage et boulons de câble). Elle met également en évidence la sensibilité des résultats aux conditions opératoires et au comportement de l'échantillon dans son ensemble, qui ne peut être négligée lorsque les résultats d'essais sont utilisés pour évaluer l'interface boulon-coulis ou coulis-roche.

Introduction

Les boulons d'ancrage et les boulons à câble entièrement injectés sont deux techniques de renforcement largement utilisées dans le génie civil et minier. Ces systèmes de support allient efficacité, flexibilité, facilité d'installation et faible coût (Stillborg, 1994 ; Fine, 1998). Grâce à ces atouts, ils sont largement utilisés dans le sous-sol pour améliorer la sécurité le long des routes et des grandes ouvertures.

En termes généraux, un boulon d'ancrage ou un boulon de câble consiste en une barre insérée dans un trou de forage qui est forée dans un sol ou une masse rocheuse et ancrée à celui-ci au moyen d'un dispositif (Windsor, 1992 ; Windsor et Thompson, 1996). Les boulons entièrement injectés comprennent quatre éléments : la barre, le sol environnant, la fixation interne à la paroi du forage et la fixation externe à la surface d'excavation. La principale caractéristique des boulons entièrement injectés est qu’ils n’assurent une action de soutien que si le sol environnant tente de se déformer ; ce sont donc des systèmes de renforcement passif (Tincelin et Fine, 1991).

L'expérience mondiale suggère que la rupture des boulons entièrement injectés se produit très probablement à l'interface boulon-coulis, au moyen d'un processus de décollement qui démarre si la force axiale exercée sur la barre dépasse une valeur critique, puis se propage le long de l'interface (Goris, 1990 ; Hyett et al., 1992, 1995 ; Kaiser et al., 1992 ; Stillborg, 1994 ; Li et Stillborg, 1999 ; Moosavi et al., 2005). Des solutions analytiques pour le processus de décollement ont été proposées récemment (par exemple Li et Stillborg, 1999 ; Ren et al., 2010 ; Blanco-Martín et al., 2011). Cependant, ces solutions ne tiennent pas explicitement compte du comportement normal de l’interface. Avec le soutien du Fonds de recherche sur le charbon et l'acier (RFCS) de la Commission européenne, un nouveau banc extractible a été conçu et calibré dans le contexte du programme PROSAFECOAL (Papamichalis et al., 2010) pour mieux comprendre la réponse des boulons entièrement injectés de coulis (directions axiale et normale). Ce banc, décrit dans Blanco-Martín (2012) et Blanco-Martín et al. (2013, 2016), permet de tester plusieurs boulons et d'étudier l'influence d'une grande variété de paramètres, tels que la pression de confinement, la longueur d'ancrage, la rugosité de la paroi du forage ou l'épaisseur de l'anneau de coulis. De plus, la rupture au niveau de l'interface boulon-coulis ou coulis-roche peut être étudiée. Blanco-Martín et al. (2013) ont suggéré une procédure pour évaluer la réponse de l'interface boulon-coulis à partir de résultats expérimentaux et de considérations théoriques, et ont proposé une formulation semi-empirique du comportement de l'interface (directions axiale et normale) pour les barres d'armature en acier injectées de résine et le polymère renforcé de fibre de verre. (FRP) boulons à roche.

Alors que les ressources minérales diminuent en Europe, les sociétés minières recherchent plus profondément sous terre pour répondre aux besoins de leurs clients et maintenir leurs activités. À grande profondeur, les contraintes sont plus élevées et les systèmes de soutènement doivent être intensifiés. Dans ce contexte, un nouveau dispositif d'extraction de laboratoire a été réalisé dans le cadre du programme de recherche RFCS AMSSTED (Hadj-Hassen et al., 2015). Dans cette configuration, une large gamme de types de boulons a été testée et l'attention a été portée sur l'influence de la pression de confinement et de la longueur d'ancrage, car il a été démontré précédemment que ces paramètres ont un fort effet sur la réponse à l'arrachement. (Benmokrane et al., 1995 ; Hyett et al., 1995 ; Moosavi et al., 2005 ; Blanco-Martín et al., 2013). De plus, l'exécution des tests a démontré que les résultats d'arrachement sont très sensibles aux conditions de fonctionnement et à la réponse de l'échantillon dans son ensemble (par exemple, l'endommagement de l'échantillon de roche affecte de manière marquée la réponse à l'arrachement mesurée). Cinquante-deux essais sur des boulons d'ancrage et trente-deux essais sur des boulons à câble ont été réalisés, et les principaux résultats sont présentés ici.

Ce document est organisé comme suit. Tout d’abord, nous décrivons le banc expérimental utilisé à l’échelle du laboratoire et la configuration conçue pour empêcher le dévissage lors du test des boulons de câbles. Ensuite, nous présentons la procédure de préparation des échantillons, ainsi que les principales caractéristiques des boulons, des matériaux de coulis et du type de roche utilisé pour préparer les échantillons. Plus loin, les principaux résultats obtenus pour les boulons d'ancrage sont présentés, suivis des résultats pour les boulons à câble. Pour un type et des dimensions de boulons donnés, nos résultats se comparent bien à ceux des enquêtes antérieures (Benmokrane et al., 1995 ; Hyett et al., 1995 ; Moosavi et al., 2005 ; Ivanovic et Neilson, 2009). Les données expérimentales présentées ici étendent la base de données disponible des résultats des tests d'arrachement et peuvent être utilisées à la fois comme référence technique dans les conditions spécifiées et comme moyen de comparaison entre les prédictions du modèle (qui incluent les conditions de fonctionnement, les composants et le comportement des échantillons). ) et des données à l’échelle du laboratoire.

Conclusions

Cet article présente les résultats des tests d'arrachement effectués à l'échelle du laboratoire sur trois types de boulons d'ancrage et trois types de boulons de câble. Chaque boulon a été testé en utilisant différentes longueurs d'ancrage et pressions de confinement. De la résine et du ciment ont été utilisés comme matériaux de jointoiement et, dans tous les cas, les boulons ont été injectés dans un échantillon de grès. Les tests ont été réalisés à l'aide d'un banc extractible qui permet de tester un large éventail de paramètres. Un confinement constant ou une rigidité radiale constante ont été utilisés comme conditions aux limites. L'étude présentée a été réalisée dans des conditions statiques et son objectif principal est d'étudier le décollement à l'interface du coulis de boulons.

Les résultats expérimentaux montrent que l'adhésion d'interface, la friction et le verrouillage mécanique (barres filetées) contribuent à la liaison boulon-coulis. La comparaison entre les résultats d'arrachement des boulons lisses et filetés montre clairement que le profil du boulon joue un rôle important : non seulement la charge maximale est plus élevée pour les boulons filetés, mais la phase post-crête montre également une diminution plus progressive de la force. De plus, le profil du boulon se reflète dans les oscillations mesurées dans la phase post-pic, dont la périodicité correspond aux empreintes de la barre testée.

Les résultats pour les boulons filetés HA25 et FRP montrent des tendances globalement similaires, avec une phase pré-pic rigide et quasi-linéaire, suivie d'une baisse de rigidité, d'une force maximale et enfin d'une phase post-pic dans laquelle la force axiale diminue vers une valeur résiduelle. valeur, bien inférieure à la force maximale. En fonction de la pression de confinement, des oscillations de charge se produisent en fonction du profil du boulon ; ces oscillations sont moins nettes pour les hautes pressions, pour lesquelles le coulis entre les aspérités des boulons est cisaillé. Les conditions de fonctionnement dans la direction radiale affectent à la fois les réponses radiales et axiales. Dans la configuration actuelle du banc, l’avantage d’utiliser des conditions de rigidité radiale constantes est que la variation de pression de confinement peut être utilisée pour estimer le déplacement radial. Les résultats obtenus pour les boulons à câble sont également cohérents et montrent des tendances similaires à celles des boulons d'ancrage, la relation charge axiale-déplacement montrant quatre phases différentes, et le profil et la géométrie du boulon étant observés dans la phase post-pic. Cependant, les résultats obtenus pour les boulons d'ancrage et les boulons à câble montrent des différences importantes dans la phase post-pic, avec une diminution de charge beaucoup plus forte dans le cas des boulons d'ancrage. Deux raisons probables de cette différence sont le type de barre (solide contre les fils initialement torsadés) et le profil du boulon (géométrie des indentations).

Concernant les boulons du câble Mini-cage, leur profil a induit des dommages importants sur l'échantillon de roche. Dans le cas des boulons IR5/IN, les résultats d'arrachement étaient très sensibles à la configuration à l'extrémité libre. Ces résultats, ainsi que la fracturation radiale qui se produit souvent à de faibles pressions de confinement (boulons d'ancrage et boulons de câble), mettent en évidence la difficulté d'évaluer le comportement de l'interface boulon-coulis à partir de données brutes d'arrachement, ainsi que l'importance d'aborder le comportement de l’échantillon dans son ensemble avant de se concentrer sur l’interface. Afin d'étudier avec précision la réponse de l'interface, la configuration du banc doit rester aussi simple que possible afin de réduire l'incertitude dans les mesures et les processus sous-jacents (fracturation, réponse de la roche, étalonnage du banc, etc.).

Les résultats présentés sont cohérents avec les résultats d'essais d'arrachement précédents sur des boulons d'ancrage et des boulons de câble similaires, et fournissent une base de données complète de résultats à l'échelle du laboratoire, se concentrant sur l'influence de la pression de confinement et de la longueur d'ancrage sur la réponse à l'arrachement de boulons entièrement injectés de coulis. Ces données peuvent être utilisées à la fois comme référence technique dans les conditions spécifiées et comme moyen de comparaison entre les prévisions du modèle (qui incluent les conditions de fonctionnement, les composants et le comportement des échantillons) et les données à l'échelle du laboratoire.