La rupture d’un ancrage sous sollicitation axiale peut être de différentes natures : rupture de la barre, rupture à l’interface scellement-barre, rupture du matériau de scellement, rupture à l’interface scellement-roche, rupture de la roche. Dans la plupart des roches, la rupture interviendrait généralement à l’interface barre-matériau de scellement (Hyett, Bawden et al. 1992; Benmokrane et al. 1995; Moosavi et al. 2005; Trinh 2012; Blanco Martín 2012). C’est plutôt dans le cas d’une roche tendre vis-à-vis du scellement ( 10 10
15 ) que la rupture interviendrait à l’interface matériau de scellement-roche (Ballivy & Dupuis 1980). Par ailleurs le long de l’ancrage, ces modes de rupture ne sont pas exclusifs. Pour étudier le comportement d’un ancrage sous une sollicitation axiale, les matériaux acier, scellement et roche étant connus par ailleurs, il s’agit de connaitre le comportement à l’interface scellement-barre et à l’interface scellement –roche. Ainsi la transmission de la sollicitation axiale depuis de la tête jusqu’au massif rocheux pourra être reproduite ainsi que les éventuelles ruptures.
Le comportement et la rupture de l’interface barre – scellement ont été étudiés localement sur des portions de barres scellées. Des essais à l’arrachement sur des ancrages d’une courte longueur ont ainsi été réalisés permettant d’obtenir la relation contrainte – déplacement à l’interface, sans réfléchir au préalable au comportement physique à l’interface. Ces essais ont été réalisés dans des configurations très différentes, et pas toujours réalistes par rapport à la pratique des ancrages passifs : barre de petit diamètre (Benmokrane, 1995 ; Kilic, 2002 ) ou faible épaisseur de scellement (Benmokrane, 1995 ; Kilic , 2002; Moosavi, 2003 ; Blanco, 2013). Néanmoins, l’observation de l’endommagement généré a permis d’identifier les efforts mobilisés et les mécanismes de rupture. L’influence de certains paramètres sur le comportement à l’interface a également été étudiée. Un profil de la barre marqué tend à augmenter la résistance à l’interface. La rigidité de la roche et l’épaisseur de scellement interviennent dans les conditions de confinement. Différentes résistances du scellement sont mobilisées selon le confinement : en confinement faible, la rupture du scellement par traction sera favorisée tandis qu’en confinement plus important, la rupture du scellement interviendra plutôt par cisaillement. Les facteurs d’influence ne sont donc pas indépendants dans le contrôle des mécanismes de rupture. Ces études expérimentales soulignent également le fait que le comportement à l’interface barre-scellement doit être appréhendé non seulement tangentiellement mais également radialement.
A l’issue de ces essais expérimentaux, des modèles de comportement pour une portion de l’interface barre – scellement ont été proposés : le modèle d’Eligehausen et al. (1983) dans le domaine du béton armé, le modèle tri-linéaire de Benmokrane (1995) et le modèle de Blanco Martin (2012) dans le domaine des ancrages au rocher. En béton armé, le modèle d’Eligehausen et al. (1983) est un modèle qui tient compte de l’influence de différents paramètres sur le comportement de l’interface barre – scellement : profil de la barre, propriétés mécaniques du béton, conditions de confinement induites par l’enrobage. Il a été paramétré sur la base du retour d’expérience sur de nombreux essais. Dans le domaine des
ancrages, les modèles proposés sont des modèles empiriques ou semi-empiriques qui nécessitent de réaliser des essais à l’arrachement pour déterminer les paramètres du modèle. Tous abordent le comportement tangentiel. Seul le modèle de Blanco Martin (2012) tente de décrire le comportement radial.
Différentes approches ont par ailleurs été proposées pour déterminer la distribution des contraintes le long de l’interface barre-scellement. Les solutions analytiques qui ont été développées, se sont dans un premier temps basées sur des hypothèses simplificatrices : comportement élastique des composants de l’ancrage (acier, scellement, roche) et collage parfait des interfaces entre ces différents matériaux. Farmer (1975) a étudié la distribution de la contrainte de cisaillement le long de l’interface barre-coulis en faisant une hypothèse sur la distribution dans la direction radiale des déformations axiales dans le scellement autour de la barre (barre d’acier élastique, scellement élastique et roche rigide). Plus tard, Li & Stillborg (1999) et Cai et al. (2004) ont amélioré cette solution analytique en tenant compte des propriétés mécaniques de la roche.
En réalité, la possibilité d’une rupture locale de l’interface entre la barre et le scellement, ou entre le scellement et la roche, devrait être considérée dans le modèle. Des modèles semi-analytiques ont alors été développés pour décrire l’évolution du comportement de l’interface barre-scellement au cours de la sollicitation axiale sur la base d’une représentation du comportement–type le long de l’interface barre d’acier – scellement ajustée sur des observations expérimentales en laboratoire. Li & Stillborg (1999) ont ainsi proposé un modèle, complété ensuite par Ren et al. (2010), qui fait apparaître cinq phases dans le comportement d’une barre d’acier scellée sur toute la longueur sollicitée en traction, depuis la mobilisation élastique en chaque point de l’interface barre d’acier – scellement jusqu’à la rupture totale le long de l’interface. Selon cette étude de Li & Stillborg (1999) et Ren et al. (2010), au-delà d’une certaine valeur de sa longueur, la résistance de l’interface barre-scellement évolue peu. Sur cette base, il est d’ores et déjà possible d’envisager d’optimiser le dimensionnement d’un ancrage sous une sollicitation en traction en se limitant à une longueur de scellement utile. Cependant cette étude se limite à l’étude de la rupture au niveau de l’interface barre-scellement et ne définit pas le comportement radial à cette interface, donnée nécessaire pour intégrer ce modèle dans un modèle complet de l’ancrage qui considèrerait les différents modes de rupture.
Peu d’études se sont attachées à étudier le comportement et la rupture à l’interface scellement – roche. De la même manière qu’à l’interface barre – scellement, la résistance de l’interface scellement – roche s’appuierait sur trois efforts résistants : l’adhésion chimique entre le scellement et la roche, l’imbrication mécanique et le frottement entre le scellement et la roche dans le cas où il y a un glissement relatif entre les deux matériaux. La rugosité du forage étant faible, la contribution de l’imbrication mécanique serait limitée. La cohésion développée lors de la cimentation entre la roche et le ciment serait assez élevée pour que la rupture à cette interface se développe par cisaillement au voisinage de l’interface scellement-roche dans le matériau ayant la résistance au cisaillement la plus faible.
Théoriquement la distribution des contraintes de cisaillement le long de l’interface scellement-roche et son évolution au cours de la sollicitation axiale d’un ancrage peut être
étudiée de la même manière qu’à l’interface barre-scellement. Cependant, du fait que le comportement de l’interface scellement-roche présente une phase d’adoucissement réduite, les auteurs (BSI, 1989; Ballivy & Dupuis, 1980) admettent une distribution uniforme des contraintes de cisaillement le long de cette interface. Cette hypothèse a été confirmée par l’étude expérimentale de Haberfield et Baycan (1997).
Selon l’étude de ces derniers auteurs, l’épaisseur du scellement (ou le diamètre de forage) influence la résistance de l’interface roche – scellement : une diminution du diamètre de forage a pour effet d’augmenter la résistance de l’interface scellement – roche. Cependant cette influence n’a pas été quantifiée. On peut cependant conclure que la résistance à l’interface scellement-roche semble également sensible aux conditions de confinement.
Les modes de rupture d’un ancrage scellé au rocher sur toute sa longueur ont donc été étudiés séparément. Or dans la réalité, les modes de rupture peuvent se produire simultanément. De plus, les paramètres influençant ces différents modes de rupture ne sont pas indépendants et évoluent au cours de la sollicitation axiale. Les différents résultats indiquent en particulier le rôle des conditions de confinement. Il s’avère donc nécessaire, dans un premier temps, dans le cadre de cette étude, pour pouvoir établir la résistance d’un ancrage scellé au rocher mais également améliorer son dimensionnement (longueur de scellement utile, épaisseur de scellement…), d’établir un modèle de l’ancrage qui tient compte du comportement des trois matériaux, acier, scellement, roche et des deux interfaces barre-scellement et barre-scellement-roche. Ce modèle ne devra pas oublier de traiter du comportement radial afin de pouvoir tenir compte des conditions de confinement et de leurs évolutions.
Il est proposé dans la suite du travail, numériquement, d’ajuster un modèle de comportement tangentiel et radial à l’interface barre-scellement sur une portion d’ancrage sur la base des travaux de Moosavi et al. (2005), puis d’utiliser ce modèle d’interface pour modéliser numériquement un ancrage réel sollicité en traction.